编辑推荐：
研究人员通过高分辨率冷冻电镜研究锥虫（Trypanosoma brucei）鞭毛，明确其结构与运动机制，提供治疗靶点。
锥虫（Trypanosomatids）是由昆虫传播的寄生虫，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的振荡附属物 —— 鞭毛（flagellum），在其昆虫宿主或脊椎动物宿主体内移动。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。Xia 等人利用高分辨率冷冻电镜（cryo–electron microscopy）揭示了布氏锥虫（
Trypanosoma brucei）鞭毛组件的复杂结构和连接。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。Doran 等人确定了轴丝的各个组件，并识别出一组对寄生虫正常游动能力至关重要的蛋白质。这些研究共同揭示了鞭毛的生物学、进化和功能；加深了人们对寄生虫生物学的理解；并突出了潜在的药物靶点，以防止寄生虫的传播和感染。
结构化摘要
引言：包括布氏锥虫及其相关物种在内的寄生性锥虫会在人类和其他哺乳动物身上引发严重疾病。作为在真核生物谱系中早期分化出来的古虫界生物，锥虫也为新的生物学发现提供了绝佳机会。布氏锥虫的单根鞭毛驱动其运动，并在细胞分裂、形态发生和宿主相互作用中发挥关键作用。与大多数生物不同，锥虫的鞭毛以从尖端向基部传播的螺旋波形摆动。鞭毛运动的核心是一种保守的 9+2 轴丝结构，其中九对双联微管（doublet microtubules，DMTs）围绕着一对单联微管，径向辐条（radial spokes，RSs）从双联微管向内突出，与中央对复合体接触。鞭毛的摆动由排列在双联微管之间的数千个动力蛋白（dynein）马达提供动力，外动力蛋白臂（outer dynein arm，ODA）和内动力蛋白臂（inner dynein arm，IDA）发挥互补作用，并由其他轴丝复合体（如连接蛋白 - 动力蛋白调节复合体，nexin-dynein regulatory complex，N-DRC）进行调节。一种特有的、存在于锥虫和其他眼虫门生物中的轴丝外细丝 —— 副鞭毛杆（paraflagellar rod，PFR），附着在轴丝旁边，为轴丝弯曲提供弹性阻力。
研究理由：最近的冷冻电镜研究已经解析了不同生物的双联微管的高分辨率结构，揭示了鞭毛组装和运动的核心特征，并识别出了谱系特异性的适应性变化。然而，这些分析中明显缺少古虫界分支的成员，其中包括锥虫和其他具有破坏性的病原体。这在人们对病原体生物学以及真核生物生物学中最具代表性结构之一的组装和运作机制的理解上，造成了关键的知识空白。
结果：研究人员利用高分辨率冷冻电镜确定了带有附着的外动力蛋白臂、内动力蛋白臂、径向辐条和连接蛋白 - 动力蛋白调节复合体的布氏锥虫双联微管 96 纳米重复结构。共识别出 154 种不同的轴丝蛋白，其中 40 种是锥虫谱系特有的。锥虫的双联微管与其他生物的双联微管的进一步区别在于，它为几种微管内部蛋白（microtubule inner proteins，MIPs）、内部连接丝蛋白和双联微管外部的蛋白纳入了额外的旁系同源物。研究人员识别出了锥虫特有的桥粒的所有亚基，以及双联微管外表面可能与副鞭毛杆形成连接的蛋白质。通过深入的结构分析，并结合对目标蛋白的敲低直接探究，研究人员确定了微管内部蛋白的组装机制和锥虫轴丝的独特特征。
双联微管出人意料地被捕捉到处于弯曲状态，每 96 纳米重复单元弯曲约 3°，B 微管位于凹面一侧，动力蛋白处于动力冲程前的构型。这与之前对布氏锥虫轴丝的冷冻电子断层扫描重建结果，以及其他生物的分离双联微管的所有高分辨率结构形成对比，在这些结构中，双联微管是直的，动力蛋白处于动力冲程后的构型。与动力冲程后状态相比，动力冲程前结构中外动力蛋白臂和内动力蛋白臂的马达结构域向微管负端移动。外动力蛋白臂连接子的结构变化通过尾部传递，尾部围绕双联微管上的对接位点向上和向前转动。尾部的这种运动以及相关的中间链 - 轻链塔，适应了阵列中相邻动力蛋白马达结构域的伴随重新定位。这些发现促使研究人员提出了一种 “龙舟” 模型，用于解释鞭毛轴丝中相邻双联微管在动力蛋白依赖下的运动。
结论：这项研究扩展了人们对构建和运作一个可运动轴丝所需条件的基本理解，同时识别出了寄生虫特有的适应性变化，这些变化为治疗或阻断传播的药物提供了潜在靶点。研究表明，轴丝双联微管弯曲的机制在最后一个真核生物共同祖先出现时或接近这个时期就已确立，随着真核生物的多样化，谱系特异性的轴丝蛋白改变了双联微管的特性。这些进化适应使每个生物体和细胞类型能够产生满足其特定功能和环境需求的鞭毛波形。
摘要：布氏锥虫的鞭毛驱动寄生虫特有的螺旋状运动，对其复制、传播和致病至关重要。然而，这一过程的分子细节仍不清楚。在这里，研究人员展示了布氏锥虫鞭毛双联微管（DMTs）的高分辨率（高达 2.8 埃）冷冻电镜结构。综合建模识别出双联微管内外的 154 种不同轴丝蛋白，并通过遗传学和蛋白质组学研究，揭示了鞭毛组装和运动的保守和锥虫特有的基础。研究人员捕捉到了轴丝动力蛋白马达处于动力冲程前的状态。通过比较动力冲程前和动力冲程后的原子模型，确定了动力蛋白的结构变化如何在鞭毛摆动过程中驱动相邻双联微管的滑动。这项研究阐明了鞭毛运动背后的结构动力学，并识别出了病原体特异性蛋白，为针对被忽视疾病的治疗干预提供了考虑方向。
