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研究人员通过冷冻电镜分析锥虫鞭毛微管，明确其结构及蛋白作用，助力抗寄生虫研究。
锥虫（Trypanosomatids）是一类通过昆虫传播的寄生虫，会在人类和其他脊椎动物身上引发致命且使人衰弱的疾病。这些寄生虫依靠一种类似尾巴、能够摆动的附属物 —— 鞭毛（flagellum），在昆虫载体或脊椎动物宿主内移动。鞭毛的运动由一种巨大的、基于蛋白质的内部机器 —— 轴丝（axoneme）产生。研究人员利用高分辨率冷冻电镜（cryo–electron microscopy），揭示了布氏锥虫（Trypanosoma brucei）鞭毛组件复杂的结构和连接方式。他们识别出了寄生虫特有的组件，并揭示了分子马达是如何驱动运动的。同时，也明确了轴丝的各个组件，还发现了一组对寄生虫正常游动能力至关重要的蛋白质。这些研究共同阐明了鞭毛的生物学特性、进化过程和功能，增进了人们对寄生虫生物学的理解，并突出了潜在的药物靶点，有助于预防寄生虫的传播和感染。
锥虫是有鞭毛的原生生物，会引发包括恰加斯病（Chagas disease）、锥虫病（trypanosomiasis）和利什曼病（leishmaniasis）在内的多种严重人类疾病。这些疾病在全球范围内使数百万人面临感染风险，尤其是发展中国家最贫困社区的人群。锥虫寄生虫在脊椎动物宿主或昆虫媒介中的移动，以及整个生命周期的顺利进行，都严重依赖于单一的可运动鞭毛。鞭毛摆动的振荡模式由鞭毛内一种名为轴丝的蛋白质复合物驱动，轴丝是一种极其复杂的、基于微管的结构，包含一系列微管结合蛋白、动力蛋白（dynein）马达和机械调节复合物。尽管轴丝在真核生物中具有显著的结构和分子保守性，但不同物种之间仍存在多种特异性差异。
此前已有多个物种轴丝双联微管（doublet microtubules）的结构描述，显示其是进化适应的位点，能够结合多种微管内部蛋白（MIPs）和微管相关蛋白（MAPs）。然而，这些分子适应性在运动方面的作用在很大程度上仍是未知的。在这项研究中，研究人员试图结合对锥虫物种的结构和功能分析，以更好地理解双联微管结构与鞭毛运动之间的基本关系。
研究人员使用冷冻电镜解析了锥虫科的两个成员 —— 热带利什曼原虫（Leishmania tarentolae）和细滴虫（Crithidia fasciculata）双联微管的结构，分辨率高达 2.7?。这些结构在单个 48 纳米重复单元中总共揭示了 51 种不同的微管内部蛋白，其中 27 种是锥虫或更广泛的动基体目（kinetoplastid）家族特有的，还包括一个不同寻常的五元动力蛋白对接复合物，以及一类名为 ArcMAPs 的微管相关蛋白。一些已识别的蛋白质来自旁系同源基因，这些旁系同源物在单个重复单元中的存在，产生了比先前确定的双联微管结构更复杂的周期性模式和微管内部蛋白网络。研究人员还发现，旁系同源蛋白能够形成近端 - 远端不对称性。例如，锥虫动力蛋白对接复合物的成员包含旁系同源物，它们会特异性地分布到鞭毛的近端或远端区域。旁系同源物整合的特征以及近端 - 远端不对称性的形成，很可能适用于大多数真核生物的鞭毛和纤毛。
接下来，研究人员利用锥虫的遗传可操作性以及易于记录的运动性，系统地测试了每种已识别蛋白质对寄生虫游动的影响。他们使用基于 CRISPR 的基因编辑技术，在墨西哥利什曼原虫（Leishmania mexicana）中对每种已识别蛋白质进行基因敲除（删除）。对于产生的每个敲除突变体，研究人员使用暗视野视频显微镜测量其游动速度和方向性。数据显示，内部连接（A 管和 B 管之间的连接）对扰动特别敏感，因为大多数内部连接微管内部蛋白的基因缺失会导致游动速度显著降低。通过基于结构的生物信息学方法，研究人员发现该区域存在一组核心微管内部蛋白，所有具有可运动鞭毛的生物都有这些蛋白，这突出了该区域对运动的重要性。
结构分析从分子层面详细解析了锥虫双联微管的物种特异性特征，增进了人们对轴丝微管如何通过微管内部蛋白形成特定模式和多样化的理解。通过系统评估每种经结构验证的蛋白质对鞭毛运动的贡献，研究人员证明了内部连接对于正常运动的重要性。这种将结构分析与全面基因敲除相结合的综合方法，有望揭示控制鞭毛摆动的保守机制以及锥虫特有的机制。
