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为探究纤毛内运输（IFT）列车在微管双联体上的分选机制，研究人员以莱茵衣藻为模型，研究微管蛋白去酪氨酸化和酪氨酸化的作用。结果发现其影响 IFT 列车亲和力与分选，该成果对理解纤毛运输机制意义重大。
在微观的细胞世界里，纤毛（cilia）就像是细胞的 “小天线”，它们虽小，却在细胞的生命活动中发挥着至关重要的作用。纤毛的正常组装和功能维持，依赖于纤毛内运输（Intraflagellar Transport，IFT）这一精密的分子运输系统。IFT 就像一列列在轨道上行驶的 “列车”，负责在细胞体和纤毛尖端之间双向运输各种组件，确保纤毛的正常生长和功能。然而，在这看似狭小拥挤的纤毛空间内，IFT “列车” 却能有条不紊地运行，逆行和顺行的列车从不 “撞车”，它们是如何做到精准 “分流” 的呢？这一直是科学家们渴望解开的谜题。
为了攻克这一难题，来自德国德累斯顿工业大学（TUD Dresden University of Technology）卓越生命物理集群、马克斯?普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所（Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics）等机构的研究人员 Aditya Chhatre、Ludek Stepanek 等人开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了 IFT “列车” 精准运输背后的神秘机制。
研究人员采用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，利用 CRISPR 技术构建莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）VashL 突变体，敲除微管蛋白去酪氨酸酶 VashL ，以此研究微管蛋白去酪氨酸化缺失对 IFT 的影响。在结构分析上，运用冷冻电镜断层扫描（cryo - ET）和子断层扫描平均技术，对比野生型和突变体轴丝的结构。为模拟体内运输环境，还开发了体外重组 IFT 列车运动的方法，在体外聚合的微管上研究 IFT 列车的行为 。
研究结果
- VashL 突变体细胞中 IFT 列车停滞与纤毛生长减缓：研究人员通过 CRISPR 技术构建了 VashL 突变体，发现突变体中去酪氨酸化微管蛋白水平显著降低，且未影响其他主要微管蛋白的翻译后修饰（PTMs）。在观察 IFT 列车动态时，野生型细胞中 IFT 列车大多能持续运行，而 VashL 突变体细胞中的列车则频繁出现 “走走停停” 的现象，且停滞事件多与相反极性列车的交叉有关，顺行列车在交叉后更易停滞。同时，VashL 突变体细胞的纤毛再生起始延迟，生长速率也比野生型细胞慢。
- 去酪氨酸化微管蛋白缺失不影响轴丝结构：利用 cryo - ET 和子断层扫描平均技术对比野生型和 VashL 突变体轴丝的三维结构，发现高达 30 ? 分辨率下，A - 微管、B - 微管和主要轴丝组件均未出现结构变化或缺陷，表明微管蛋白去酪氨酸化受损不会破坏轴丝结构的正常组装。
- 体外重组 IFT 列车运动：研究人员开发了体外重组 IFT 列车运动的方法，将衣藻细胞纤毛中提取的 IFT 列车在体外聚合的极性标记微管上进行运动重组。结果显示，提取的 IFT 列车能在微管上着陆并运动，且所有主要的 IFT 复合物（IFT - A、IFT - B 和马达）在体外均得以保留，体外重组的 IFT 列车速度与体内相当。
- 顺行和逆行列车对不同修饰微管的亲和力差异：研究发现，顺行列车对野生型亲本轴丝的亲和力比逆行列车更强，但在 VashL 突变体细胞中，顺行列车的亲和力降低，逆行列车的亲和力增加。进一步研究表明，顺行列车更倾向于在去酪氨酸化的微管上着陆，逆行列车则更倾向于在酪氨酸化的微管上着陆，而微管蛋白的酪氨酸化 / 去酪氨酸化并不影响列车的速度。
研究结论与讨论
研究表明，微管蛋白的酪氨酸化 / 去酪氨酸化在调控 IFT 列车的动力学和高效运输中发挥着关键作用。在野生型细胞中，B - 微管上富集的去酪氨酸化微管蛋白有助于选择和顺行列车结合，并使其沿 B - 微管稳定运输；而 A - 微管上的酪氨酸化微管蛋白则与逆行列车结合，避免了列车碰撞。在 VashL 突变体中，由于微管蛋白去酪氨酸化缺失，导致列车错分选，增加了碰撞概率，进而影响了 IFT 的动态和货物运输，最终导致纤毛生长异常。
此外，虽然可能存在其他机制辅助避免 IFT 列车碰撞和控制其在特定微管上的运输，但本研究表明微管蛋白去酪氨酸化是调节 IFT 运动所必需的。未来，研究微管蛋白翻译后修饰（PTMs）在顺行货物交接中的作用，以及在更高等生物（如精子）中的类似调控机制，将为我们深入理解细胞内运输提供更多线索。这项研究不仅揭示了纤毛内运输的重要机制，也为相关疾病的研究提供了潜在的理论基础，有望推动生命科学和健康医学领域的进一步发展。
