水生所揭示原生动物细胞极致动态形变的分子基础

　　

真核细胞依赖形态的动态变化来执行多种功能，以维持基本生物过程并调控细胞行为。单细胞捕食性原生动物——长吻虫，其形态与天鹅相似，其中常见种天鹅长吻虫（Lacrymaria olor）因此得名。长吻虫细胞在结构上可划分为三个部分：从后端到前端依次为胞体、“颈部（脖子）”和“头部（口器）”。长吻虫通过不断伸缩其细胞颈来搜索和捕捉猎物，在这一过程中，颈部可以延伸至胞体长度的30倍之多，展现出极致的动态形态变化。这种细胞极致动态形变背后所蕴含的分子材料仍然未知。

细胞颈收缩（左）和伸长（右）两种状态下的长吻虫细胞

长吻虫细胞颈的快速伸缩和动态形变

长吻虫通过细胞颈不断伸缩实现360度的空间搜索

近日，中国科学院水生生物研究所缪炜研究员团队在对从武汉东湖分离的天鹅长吻虫进行行为模式分析的基础上，在细胞培养密度受限的条件下，通过长期大规模培养，成功获得了其高质量基因组。此外，研究团队还通过显微手术分离出数千个细胞颈进行质谱分析，鉴定了颈部的蛋白质成分。在此基础上，利用超分辨显微成像和双束扫描电镜等技术，揭示了长吻虫细胞皮层中的两种关键细胞骨架：肌丝骨架（myoneme cytoskeleton）和微管骨架（microtubule cytoskeleton）。肌丝骨架由centrin-myosin蛋白组成，在颈部和胞体之间表现出明显差异的分布模式。微管骨架中含有一种形成梯状结构的新型巨型蛋白，在颈部与肌丝骨架靠近，而在胞体中则与之分离。这一独特的排列使得颈部可以独立于胞体，展现出惊人的动态形态变化。新发现的这些蛋白成分表明，长吻虫通过新型的细胞骨架系统实现其极致的形态变化。

长吻虫细胞中的两种关键细胞骨架：肌丝骨架（红色）与微管骨架（绿色）

两种关键细胞骨架的3D重构

长吻虫细胞颈收缩（左）和伸长（右）两种状态下的肌丝骨架差异

长吻虫颈部极致动态形变的分子模型假设

本研究是继发现依赖钙离子的新型细胞骨架是原生动物旋口虫细胞超快速收缩的分子基础后（Science Advances,2023），通过研究单细胞原生动物的极致运动形式，发现的第二类新型细胞骨架系统。这一发现对于理解生物运动以及细胞骨架的进化与多样性具有重要意义。同时，该研究为生物仿生及利用合成生物学手段构建相应的分子机器，提供了重要的理论基础与设计蓝图。

该工作近期以“Dynamic shape-shifting of the single-celled eukaryotic predator Lacrymaria via unconventional cytoskeletal components”为题发表于Current Biology杂志，水生所研究生秦微微、胡澈和谷思雨为论文的共同第一作者，缪炜和熊杰研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助，以及水生所分析测试中心、中国科学院超级计算武汉分中心和国家水生生物种质资源库的支持。

论文链接：https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(24)01214-4