综述：中心粒稳定性的潜在机制

《Journal of Biomechanics》：Mechanisms underlying centriole stability

这篇综述系统探讨了中心粒结构稳定性的分子基础及其在发育与疾病中的重要意义。文章详细解析了中心粒亚结构（如微管壁、车轮状结构、A-C连接器、内部支架等）在维持这一细胞器稳定性中的关键作用，并提出了四种非互斥的稳定性维持模型，为理解中心粒相关疾病（如原发性小头畸形、癌症、纤毛病）提供了新的视角。

　　

中心粒结构与形成

中心粒和基底体是真核细胞中保守且高度稳定的微管基超分子结构。它们与中心粒周围物质共同构成动物细胞主要的微管组织中心。中心粒可结构重塑为基底体，进而模板化形成纤毛——这种特化的细胞膜突起参与细胞信号传导、运动和液体流动。中心粒和基底体通常极其稳定，能经受多次细胞分裂，并抵抗冷处理、微管解聚药物及其他能分解胞质微管的化学处理。

中心粒结构高度保守且与功能密切相关。在大多数物种中，中心粒壁由九重对称排列的连接“复合”微管构成：近端由三个连接的微管形成三联体，远端由两个连接的微管形成双联体微管。复合微管仅存在于中心粒和纤毛中。三联体中的三个连接微管称为A、B和C微管：A微管是一个完整的13根原纤维微管，B和C微管是各10根原纤维的部分微管，与相邻微管共享管壁。

中心粒呈现近-远极性，具有在每个区域与微管壁相关的非微管元件，这些元件被称为“中心体亚结构”。包括位于中心粒近端的车轮状结构，主要由SASS6蛋白自组装成轮毂和辐条，赋予中心粒九重对称性和典型的约250纳米宽度。车轮状结构通过未知组成的针头附着到微管壁。A-C连接器是连接近端相邻三联体微管的附加亚结构。在中央核心区域内，螺旋状内部支架亚结构连接着三联体微管。在远端，几种不同的蛋白质复合物参与调节中心粒伸长、启动纤毛发生和维持中心粒结构。中心粒周围物质包围两个中心粒形成中心体。

在循环的哺乳动物细胞中，中心粒的数量和结构受细胞周期严格调控。在G1期，细胞有两个中心粒。在S期，每个预先存在的亲代中心粒指导一个新的原中心粒形成。原中心粒形成由激酶PLK4在S期启动，导致车轮状结构形成。在G2期，原中心粒伸长并构建内部支架。在有丝分裂中，中心粒招募额外的中心粒周围物质以用于纺锤体组装。在有丝分裂期间，车轮状结构从原中心粒丢失，原中心粒继续伸长并开始招募中心粒周围物质，这一过程称为中心粒向中心体转化。中心粒分离到有丝分裂纺锤体的两极，导致每个子细胞获得两个中心粒——一个较老的亲代中心粒和一个较年轻的中心粒，两者都被中心粒周围物质包围。

随着年轻中心粒在后续细胞周期中成熟，它在远端获得附属物：用于纤毛发生的远端附属物和锚定微管到中心体的亚远端附属物。当细胞进入G0期，两个中心粒中较老的一个成熟为基底体，允许通过一个复杂过程产生纤毛，该过程涉及膜与远端附属物的附着、远端帽的丢失以及中心粒双联体微管的伸长以形成纤毛轴丝。

中心粒稳定性与丢失概述

中心粒传统上被认为是异常稳定的细胞器。它们能经受微管解聚药物、冷处理和高盐等极端条件。与经历动态不稳定的胞质微管不同，成熟中心粒的微管壁几乎不发生微管蛋白周转。此外，许多结构中心粒蛋白在数分钟到数小时的时间尺度上稳定整合。

尽管其表观稳定性，中心粒可在发育、疾病或通过遗传操作过程中从细胞中丢失。中心粒丢失定义为细胞中心粒完全缺失。一些中心粒丢失案例之前先发生中心粒碎片化，定义为中心粒结构缺陷。维持中心粒完整性及正确调控中心粒丢失对细胞活力和组织发育至关重要。

关于中心粒稳定性和丢失的调控，提出了四种非互斥模型。首先，中心粒结构可能进化出内在稳定性，亚结构锚定并加固微管壁。其次，细胞可能进化出主动修复受损中心粒的机制。第三，尽管表观稳定，某些中心粒组分可能经历不断更新和周转以防止损伤积累。第四，中心粒可能在特定组织中被蛋白酶体、溶酶体或自噬靶向降解。

中心粒的微管支架

连接的复合“三联体”和“双联体”微管在拥有中心粒、基底体和纤毛的生物体中高度保守，且仅存在于这些细胞器中。复合微管由α-微管蛋白和β-微管蛋白组成，并直接附着于中心粒内的微管结合蛋白。

在哺乳动物细胞中，缺失δ-微管蛋白、ε-微管蛋白、TEDC1或TEDC2会导致形成仅含单联体微管的中心粒。这些异常的突变中心粒从 metaphase 开始解体，在下个细胞周期的G1期几乎完全丢失。类似地，从莱茵衣藻、草履虫和四膜虫中缺失δ-微管蛋白或ε-微管蛋白也与基底体三联体微管缺陷及其丢失相关。

最近，HYLS-1被报道能够促使复合微管形成。HYLS-1定位于中心粒壁，并在原中心粒组装期间被招募。HYLS-1缺失细胞中的中心粒在远端碎片化，支持复合微管是中心粒完整性所必需的观点，尽管中心粒丢失尚未见报道。

复合微管的稳定性可能依赖于直接附着其上的蛋白质。这些包括内部支架、A-C连接器和中心粒周围物质的蛋白质。还包括靠近中心粒壁定位的蛋白质，如rotatin、中心粒蛋白和果蝇SAS-4。RTTN缺失突变体与δ/ε微管蛋白缺失突变体表型相似，中心粒在有丝分裂中解聚。中心粒蛋白的微管结合域过表达导致中心粒不稳定。在果蝇培养细胞系中，消耗中心粒壁蛋白（包括SAS-4）会增强中心粒丢失。在哺乳动物细胞系中，缺失SAS-4同源物CPAP导致中心粒碎片化，但中心粒丢失尚未报道。

复合微管本身可能比单联体微管固有更稳定。直接测试此可能性具有挑战性。此外，秀丽隐杆线虫中心粒稳定且包含单联体微管和部分B微管，表明完整的复合微管并非普遍适用于中心粒稳定性。

微管蛋白翻译后修饰

α和β微管蛋白被高度翻译后修饰，这些修饰可改变微管的动力学和稳定性以及微管相关蛋白的结合。在培养细胞系中观察到的最早的中心粒丢失案例之一是在注射抗聚谷氨酰化抗体GT335后发生的。中心粒壁被高度聚谷氨酰化，GT335通常用于免疫荧光显微镜标记中心粒。将GT335抗体直接注射到哺乳动物细胞中导致中心粒解体并伴随中心粒周围物质的丢失。

在体内，缺失聚谷氨酰化似乎不会导致完全的中心粒丢失。缺乏主要聚谷氨酰化写入酶TTLL1和TTLL7的小鼠可以产生可存活的后代。过表达从微管去除聚谷氨酰化的CCP5也不会损害中心粒稳定性。在四膜虫中，双重敲除聚谷氨酰化写入酶TTLL1和TLL9导致在纤毛搏动时基底体丢失。此外，将GT335抗体注射到哺乳动物细胞中导致G2/M期中心粒碎片化增加，这是由于有丝分裂开始时微管动力学增强所致。这些实验表明，聚谷氨酰化可能参与在机械力下维持中心粒和基底体的稳定性。

额外的微管蛋白翻译后修饰可以改变微管的动力学和稳定性以及微管相关蛋白的结合。这些包括乙酰化、甘酰化以及去酪氨酸化和酪氨酸化循环。先验地，这些也可能影响中心粒稳定性。虽然这些其他翻译后修饰对中心粒稳定性的影响尚未被直接研究，但阻止这些修饰的遗传操作不会导致表明过早中心粒丢失的机体表型。甘酰化在四膜虫中对抵抗纤毛搏动力维持基底体组织是必需的，表明甘酰化也参与在机械力下维持基底体稳定性。

中心粒长度

在哺乳动物细胞系中，完全成熟中心粒长度约为500纳米。在癌细胞系和浆细胞中观察到中心粒过度伸长，并伴随微管壁断裂和中心粒碎片化。在癌细胞中，中心粒碎片可驱动中心粒扩增。在培养细胞系中，缺失RTTN、CEP295、CPAP和CEP350等蛋白质会导致中心粒长度和完整性缺陷。然而，对于CEP350突变体，中心粒碎片化是由于内部支架蛋白WDR90的丢失，而非中心粒过度伸长的直接后果。在这些实验中，缺失CEP78或OFD1也会导致中心粒过度伸长，但未观察到微管壁缺陷或碎片化。类似地，CPAP过表达、细胞周期阻滞或CEP120过表达导致伸长的原中心粒，没有伴随的中心粒碎片化或丢失表型。因此，过度伸长本身不足以诱导中心粒碎片化，额外的组装缺陷导致完整性丧失。

额外的中心体亚结构

车轮状结构

车轮状结构由轮毂和呈九重对称排列的辐条组成，是原中心粒组装中最早形成的结构之一。车轮状结构的主要蛋白质组分SASS6在体外寡聚化形成车轮状结构的轮毂和辐条的中央区域。在人类细胞系和秀丽隐杆线虫中，SASS6/SAS-6对中心粒形成至关重要，因此在这些系统中难以确定车轮状结构是否在促进中心粒稳定性方面具有额外作用。有趣的是，由于中心粒腔蛋白消耗导致的中心粒完整性丢失可以通过在长期有丝分裂阻滞期间保留SASS6来部分挽救，表明车轮状结构在维持中心粒稳定性方面具有额外作用。

进一步的证据来自小鼠胚胎干细胞和果蝇，即使SASS6/DSAS-6缺失，中心粒也能形成。从小鼠胚胎干细胞完全敲除SASS6导致中心粒完整性丧失，存在异常长或碎片化的中心粒。当这些突变细胞被诱导分化为神经祖细胞时，中心粒随后丢失。类似地，新合成的DSAS-6蛋白在果蝇细胞系中是维持中心粒稳定性所必需的。这些结果表明车轮状结构参与维持中心粒稳定性。然而，车轮状结构不太可能是中心粒稳定性的唯一决定因素：SASS6在人类中心粒晚期有丝分裂中丢失，但亲代中心粒保持稳定。

A-C连接器

在中心粒近端，A-C连接器将一个三联体的A微管连接到相邻三联体的C微管。通过电子显微镜长期观察到，A-C连接器的组分直到最近才被鉴定，包括蛋白质CCDC77、WDR67和MIIP。消耗这三种蛋白质中的任何一种都会导致中心粒壁碎片化，使得相邻三联体彼此展开。共同消耗CCDC77和WDR67加剧了这种效应。因此，A-C连接器通过连接相邻的三联体微管来维持中心粒完整性。尚不清楚缺乏这种结构的中心粒是否最终从细胞中丢失。

中心粒内部结构：内部支架

在来自哺乳动物、莱茵衣藻、四膜虫和草履虫的中心粒中央区域，中央中心粒腔内的螺旋状内部支架连接相邻的微管三联体。在已知的内部支架蛋白质中，包括WDR90、CETN2、POC1A、POC1B、CCDC15、POC5和FAM161A，有几个参与维持中心粒完整性。POC5将augmin复合体和γ-微管蛋白环状复合体招募到中心粒腔，这两种微管调节因子都是中心粒完整性所必需的。这些研究总结如下，共同证明内部支架在维持中心粒完整性中起重要作用。

WDR90直接将内部支架与中心粒微管连接。在人类细胞中，WDR90消耗导致几种内部支架蛋白丢失，伴随中心粒碎片化和中心粒微管展开。共同消耗WDR90和POC5加剧了这些缺陷。WDR90向中心粒的定位依赖于CEP350，CEP350缺失也由于WDR90错误定位导致中心粒碎片化。CEP350受磷酸酶PPP2R3C和激酶MAP3K1调节。MAP3K1过表达也导致中心粒碎片化和丢失，尽管尚不清楚这是否通过CEP350定位或功能缺陷发生。

POC1在四膜虫中形成A和B微管之间的内部连接。虽然POC1对基底体形成不是必需的，但POC1缺失导致内部支架稳定性缺陷，由于纤毛搏动施加的力导致基底体结构不稳定。脊椎动物有两个旁系同源物，POC1A和POC1B。在哺乳动物细胞中，消耗POC1A或POC1B导致内部支架蛋白丢失或错误定位以及具有断裂中心粒壁的短中心粒。双重敲除POC1A和POC1B导致加剧的表型，间期中心粒数量减少并在有丝分裂期间丢失，表明POC1A和POC1B共同对中心粒稳定性至关重要。

中心蛋白是一个小的EF-hand蛋白，定位于内部支架内以及远端尖端。在人类细胞中，中心蛋白被报道参与中心粒形成，因此难以确定它是否在维持中心粒完整性方面也有作用。在四膜虫中，Cen1（与人类中心蛋白2同源）是基底体形成和稳定性所必需的。四膜虫Cen2（与人类中心蛋白3同源）是基底体稳定性所必需的。两种中心蛋白也是正确基底体方向所必需的。在饥饿抑制新基底体形成时，cen2突变体中基底体数量减少，表明cen2是基底体维持所必需的。类似地，在cen1突变细胞中也观察到中心粒丢失，表明中心蛋白对中心粒稳定性很重要。

CCDC15是POC1B和远端末端蛋白SFI1/CETN2定位所必需的。消耗CCDC15后，中心粒出现结构完整性缺陷，壁断裂、变宽或变短。在长期有丝分裂阻滞后，一些细胞丢失中心蛋白焦点，表明CCDC15消耗细胞中的结构完整性缺陷导致中心粒完全丢失或远端部分丢失。尚不清楚这些碎片化的中心粒是最终从细胞中丢失还是可能被保留。

在中心粒腔内，augmin复合体和γ-微管蛋白环状复合体稳定中心粒。这些微管成核剂由POC5招募。缺失augmin组分HAUS6导致存在短、断裂或不完整的中心粒。在长期有丝分裂阻滞后，缺乏POC5、HAUS6或γ-TuRC组分GCP4的细胞丢失其远端末端，表明这些蛋白质也维持中心粒完整性。尚不清楚这些碎片是否在细胞中丢失或保留。类似地，在四膜虫中，缺失γ-微管蛋白导致形成新基底体的缺陷以及现有基底体的丢失，表明γ-微管蛋白对维持中心粒稳定性很重要。

中心粒内部结构：秀丽隐杆线虫中央管

在线虫秀丽隐杆线虫中，一个称为中央管的结构对中心粒稳定性至关重要。秀丽隐杆线虫中心粒与其他生物的中心粒不同，具有单联体微管和双联体微管钩，且较短，约150纳米长。相当于车轮状结构的内管贯穿中心粒全长。中央管位于内管和中心粒微管壁之间。在卵子发生过程中中心粒丢失时，中央管是第一个从中心粒移除的亚结构。中央管丢失之后是中心粒变宽、中心粒微管碎片化和解体。额外的中心粒蛋白随后逐渐丢失，由微管和动力蛋白依赖的向质膜运动驱动。

中央管由SAS-1和SSNA-1组成。SAS-1和SSNA-1都不是中心粒形成所必需的，但都参与维持中心粒稳定性。消耗或缺失SAS-1导致卵子发生过程中中心粒过早丢失，以及精子和胚胎中中心粒完整性和中心粒丢失缺陷。SAS-1招募SSNA-1到中心粒，缺失SSNA-1导致胚胎中中心粒异常碎片化。这些结果表明SAS-1和SSNA-1对秀丽隐杆线虫中心粒稳定性至关重要，并且一个蛋白质或中心粒亚结构的丢失可触发细胞中心粒丢失。

远端尖端

中心粒远端末端的蛋白质包括SFI1和CETN2/3、DISCO复合物、C2CD3、CBY1以及远端帽复合物。其中，SFI1已被证明在人类细胞系中对中心粒完整性很重要。SFI1与中心蛋白一起定位于中心粒远端腔内的一个点。SFI1不参与中心粒组装，但消耗SFI1的细胞中成熟中心粒通常结构缺陷，壁断裂或碎片化，表明SFI1在形成后维持中心粒结构完整性至关重要。尚不清楚这些结构缺陷的中心粒是否最终从细胞中丢失。

中心粒周围物质

在中心粒复制周期中，中心粒周围物质最初在有丝分裂中被招募到新形成的原中心粒，这一过程称为中心粒向中心体转化。CEP295/ANA1是一个近端中心粒蛋白，对中心粒向中心体转化和中心粒稳定性很重要。从哺乳动物或果蝇细胞系中消耗CEP295/ANA1导致无法招募中心粒周围物质组分。消耗或缺失CEP295导致培养的人类细胞系中中心粒丢失，表明中心粒向中心体转化可能对中心粒稳定性至关重要。然而，CEP295缺失后的中心粒不稳定性也可能归因于内部支架组装缺陷，因为CEP295对培养的人类细胞系中的中心粒伸长和内部支架蛋白POC5和POC1B的招募也至关重要。

中心粒周围物质也对果蝇卵子发生过程中的中心体丢失很重要。在该系统中，中心体丢失按顺序进行：中心粒周围物质首先丢失，随后中心粒组分丢失。中心粒周围物质丢失受激酶Polo/PLK1调节。Polo丢失与中心粒周围物质丢失同时发生，过早消耗Polo导致卵母细胞中中心粒过早丢失。在果蝇细胞系中，消耗Polo或同时消耗4种不同的中心粒周围物质蛋白导致中心粒丢失。引人注目的是，将Polo异位拴在卵母细胞中心体上阻止了中心粒周围物质和中心粒的丢失。这导致减数分裂期间存在功能性中心体，从而由染色体分离缺陷引起早期胚胎停滞。

Polo如何维持中心粒稳定性？将激酶失活的Polo异位拴在中心体上不能完全阻止中心粒丢失，表明Polo的激酶活性可能是必需的。进一步工作表明Polo是维持近端中心粒壁蛋白ANA1/CEP295所必需的。ANA1消耗增强果蝇细胞系或卵母细胞中的中心粒丢失。将ANA1拴在中心体上足以阻止其丢失。令人惊讶的是，这种效应不依赖于中心粒周围物质招募，证明ANA1本身，而非中心粒周围物质，是中心粒稳定性所必需的。支持这一结论，在这种情况下形成的稳定中心粒不能作为微管组织中心起作用。这些结果表明中心粒周围物质丢失可导致中心粒稳定性关键组分的耗竭。

结论与展望

中心体亚结构是中心粒稳定性的重要调节因子，为理解中心粒相关疾病（如原发性小头畸形、癌症、纤毛病）的机制提供了新的视角。本文综述的蛋白质和亚结构可作为分子标记来阐明和区分中心粒稳定性的不同模型。例如，在内在稳定性模型中，研究这些蛋白质和结构在中心粒丢失过程中如何被修饰至关重要。蛋白质是否被翻译后修饰或改变？亚结构是否有改变的形态或定位？完整性丧失是否总是导致中心粒丢失？

为了直接测试主动修复或不断更新模型，研究中心粒蛋白质的周转动力学至关重要。虽然使用FRAP的实验检查了短时间尺度（秒到分钟）的周转，但不断更新可能在更长的时期内运作。在果蝇细胞系中，中心粒稳定性测定表明新蛋白质交换可能需要长达8天。脉冲SILAC等技术对于确定特定蛋白质在延长时间尺度上的周转率很有价值。脉冲SILAC也有助于识别中心粒丢失期间周转率的变化，这在主动修复过程中可能会加速。在主动修复模型中，识别特异性识别和移除受损蛋白质并用新组分替换它们的分子至关重要。消耗或突变这些分子可能改变中心粒丢失动力学。

在靶向降解的情况下，识别所涉及的分子（如自噬衔接子或受体）至关重要。了解这些分子如何识别中心粒（可能通过与中心粒卫星的关联）也很重要。

随着成像和蛋白质鉴定技术的最新进展，未来可能还有更多蛋白质和亚结构被揭示与中心粒结构稳定性相关。确定这些蛋白质是否参与中心粒形成和/或它们是否特异性参与维持中心粒稳定性将很重要。在不同组织和细胞类型以及患者样本中对中心粒进行高分辨率成像也可能揭示中心粒丢失的其他背景。理解中心粒丢失的潜在机制将为在细胞中操纵中心粒数量和结构的新技术铺平道路，从而在发育和疾病中实现对这一关键细胞器的精确控制。