1月8日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）丛尧研究组、朱学良研究组和上海交通大学医学院附属新华医院鄢秀敏研究组的最新合作研究成果“Multi-scale structures of the mammalian radial spoke and divergence of axonemal complexes in ependymal cilia”。该研究综合应用冷冻电镜（cryo-EM）、冷冻电子断层重构（cryo-ET）、质谱、细胞生物学及生物化学方法，首次解析了哺乳动物辐射轴头–颈部（RS head-neck）复合体的近原子分辨率冷冻电镜结构，揭示了其组装机制及调控纤毛不对称摆动的结构机制，还解析了脑室管膜纤毛轴丝的首个原位cryo-ET结构，展示了与精子鞭毛和呼吸道纤毛轴丝的差异。这些研究发现为原发性纤毛运动障碍和弱精子症的病因学提供了重要线索。
辐射轴（RS）是由二十多个蛋白质组成的T形复合物，在动纤毛的中央微管（central pair，CP）和轴丝动力蛋白臂之间传输机械、化学信号，以协调纤毛运动。RS head-neck相关基因的突变与原发性纤毛运动障碍（PCD）及弱精症密切相关。然而，哺乳动物RS的结构信息仍十分有限。该合作研究团队之前报道了首个3.2埃分辨率的RS head core单体的冷冻电镜结构（W. Zheng, PNAS, 2021），而Alan Brown团队报道的RS冷冻电镜结构的head-neck区域分辨率不高（10.6-13.6埃）（T. Walton，Nature，2023），因此RS head-neck的高分辨率结构仍然缺失。脑室管膜纤毛通过摆动产生单向脑脊液流动，其运动障碍会导致脑脊液流动受阻，与脑积水和特发性脊柱侧凸密切相关，但至今尚无该类纤毛的原位cryo-ET结构。
研究团队体外组装并解析了哺乳动物RS head-neck复合体的单体和二聚体的首个近原子分辨率（最高至3.14埃）冷冻电镜结构，阐明了其组成亚基尤其是head-neck之间的相互作用网络，揭示了二聚体固有的开-关及跷跷板式的运动模式（mode of motion），并提出了RS head-neck复合体的逐步组装机制。通过将已知的 PCD/弱精子症致病突变映射到 RS head-neck结构上，还揭示了这些基因突变导致PCD和弱精症的可能致病机理。
此外，研究团队采用了“原代培养–诱导分化”方法，获得了具有多纤毛的小鼠脑室管膜上皮细胞，并应用 cryo-ET结合子断层平均（sub-tomo averaging）方法，解析了首个脑室管膜纤毛轴丝的cryo-ET结构，并证明脑室管膜纤毛中原位的RS1/RS2 cryo-ET结构与体外重组的RS head-neck二聚体结构一致。令人惊讶的是，研究人员发现，与哺乳动物呼吸道纤毛及精子鞭毛相比，脑室管膜纤毛中缺失内动力蛋白臂IDA-b/c/e及微管二连体A管内的Tektin纤维，这种组织特异性特征可能代表由室管膜纤毛功能需求驱动的进化选择。研究人员基于cryo-EM、cryo-ET结构并结合AlphaFold2结构预测，为小鼠脑室管膜纤毛的RS1/RS2/RS3、IDA和N-DRC建立了更完整的多尺度结构模型，其中RS3 head-neck的结构模型为首次报道。结合超高分辨率荧光显微镜和生化分析，还新确定了一个位于 RS1 茎干区域的亚基AK8。通过cryo-EM、cryo-ET多尺度结构整合，揭示了RS和CP之间复杂的相互作用模式，提出了RS固有运动模式协调RS-CP相互作用进而介导纤毛不对称摆动的机制。
该研究不仅为理解RS的组装机制、RS参与调控纤毛运动的分子机制，以及PCD/弱精子症的病因学提供了重要线索，还提出了脑室管膜纤毛的组织特异性轴丝结构简化是自然驱动的进化选择，提供了关于纤毛在生物体内的多样性和复杂性的深刻理解，对于理解纤毛结构与功能的关系具有重要意义。
分子细胞卓越中心博士生蒙学明，博士后徐聪，博士生李佳蔚、仇本华和罗家俊为该论文的共同第一作者。分子细胞卓越中心丛尧研究员、上海交通大学医学院附属新华医院鄢秀敏研究员、分子细胞卓越中心朱学良研究员为该论文的共同通讯作者。该研究获得了中国科学院、基金委、国家科技部、上海市科委等项目的支持，并得到国家蛋白质科学研究（上海）设施的冷冻电镜系统、质谱系统、数据库与计算分析系统和蛋白质表达纯化系统，赛默飞上海纳米港，及中国科学院分子植物卓越创新中心质谱平台的大力支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44577-1
图（A）鼠源RS head-neck复合体的单体（monomer）和二聚体（dimer）的冷冻电镜结构。（B）已知引起PCD及弱精症的突变（绿色球表示）在原子模型上的位置。（C）脑室管膜纤毛的cryo-ET原位结构（左），及RS3头部的结构模型（右）。（D）脑室管膜纤毛结构（蓝色）的组织特异性。相比于呼吸道纤毛（黄色）和精子鞭毛（绿色），其IDA-b/c/e及其微管二连体的A管内Tektin纤维缺失。（E）脑室管膜纤毛轴丝的多尺度结构。（F）提出的“RS-CP”之间的相互作用模式。
