纤毛内运输蛋白抵达纤毛基部并组装成列车的机制解析及其意义

《SCIENCE ADVANCES》：Delivery of intraflagellar transport proteins to the ciliary base and assembly into trains

为探究 IFT 亚复合物如何到达纤毛基部并组装成 IFT 列车，研究人员以秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）化学感觉纤毛为研究对象，通过定量单分子成像技术开展研究。结果发现 BBSomes 经扩散到达基部，IFT-B 和 IFT-A 通过定向运输抵达。该研究揭示了 IFT 列车组装的关键过程，意义重大。

　　在微观的细胞世界里，有一种被称为初级或感觉纤毛的 “小天线”，它从大多数真核细胞中伸出，负责感知外部环境并传递信号。而维持纤毛正常结构和功能的关键，是一种名为纤毛内运输（Intraflagellar Transport，IFT）的高度有序的运输过程。IFT 列车由 IFT-B、IFT-A 和 BBSome 等亚复合物组成，它们如同忙碌的 “搬运工”，在驱动蛋白 - 2（kinesin - 2）和 IFT - 动力蛋白（IFT - dynein）的驱动下，沿着基于微管的轴丝将纤毛蛋白从纤毛基部运送到顶端，再返回基部。然而，一直以来，科学家们对 IFT 亚复合物究竟是如何到达纤毛基部，又是怎样组装成 IFT 列车的这一关键过程知之甚少。这就好比我们知道快递能把货物送到目的地，但却不清楚这些货物在出发前是如何集中和打包的。为了解开这个谜团，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们利用定量单分子成像技术，对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的化学感觉纤毛进行深入探究。最终，研究取得了重要成果，为我们揭示了 IFT 亚复合物到达基部、组织成 IFT 列车并进入纤毛的详细机制。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的研究开辟了新的道路。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是利用定制的激光照明宽场荧光显微镜结合小窗口照明显微镜（SWIM）对样本进行成像，可实时观察蛋白动态；二是通过单分子追踪技术，借助 MATLAB 软件 FIESTA 对单分子事件进行追踪；三是运用多种数据分析方法，如计算扩散系数、测量速度、分类运动类型等，从不同角度解析实验数据。
研究结果如下：

1. IFT 列车亚复合物在纤毛基部具有不同的定位模式：研究人员通过对 BBSome、IFT - A 和 IFT - B 亚复合物的成像观察，发现它们在纤毛基部的强度分布虽大致相似，但仍存在细微差异。IFT - A 和 IFT - B 在靠近纤毛基部的位置更为集中，而 BBSome 的分布则向纤毛周围膜区（PCMC）延伸得更远。同时，BBSome 和 IFT - B 在纤毛基部的富集程度高于 IFT - A，这些差异暗示了它们在进入纤毛前经历了不同的分选过程。
2. BBSomes 通过扩散到达纤毛基部，而 IFT 亚复合物则通过主动运输：借助 SWIM 技术，研究人员观察到 BBSome 亚复合物在树突中快速扩散，其扩散速度介于 IFT - dynein 和 kinesin - II 之间，这表明 BBSome 从细胞体到纤毛的运输依靠自由扩散。与之相反，IFT - B 和 IFT - A 则以定向的方式被主动运输，它们可能包裹在类似囊泡的结构中，从细胞体向纤毛基部移动。研究还发现，约 67% 的囊泡同时包含 IFT - A 和 IFT - B，其余分别只含 IFT - B 或 IFT - A，这表明这些囊泡可能来自多个不同的池。
3. BBSomes 与 PCMC 膜或组装中的 IFT 列车结合：进一步利用 SWIM 技术研究 BBSomes 在纤毛基部的动态，发现其存在三种行为。部分 BBSomes 会与组装中的 IFT 列车结合，在列车组装完成后进入纤毛；部分则与 PCMC 膜结合，可能是随机结合到膜上，部分还会从结合位点释放再次扩散；极少数出现逆行情况，但因观察到的次数极少，未作深入分析。通过对 BBSomes 定位的详细分析，发现其与 IFT 列车结合和与 PCMC 膜结合的位置分布存在差异，这进一步证实了它们在纤毛基部的不同命运。
4. IFT - A 和 IFT - B 包裹的囊泡在纤毛基部附近的分选方式不同：观察 IFT - B 和 IFT - A 到达 PCMC 和纤毛基部的动态，发现 IFT - B 包裹的囊泡在靠近树突 - PCMC 交界处会短暂减速或暂停，部分最终停靠在纤毛基部；而 IFT - A 包裹的囊泡则在更靠近树突的位置暂停，且更容易从囊泡上解离。从超分辨率荧光图来看，两者在暂停位置、进入纤毛的方式等方面均存在差异，表明它们在纤毛基部附近经历了不同的分选过程。
5. IFT 列车亚复合物在进入纤毛时表现出不同的动态：对比 BBSome、IFT - B 和 IFT - A 进入纤毛的过程，发现它们在停靠位置、暂停时间和在纤毛内的定位等方面都有所不同。BBSomes 停靠位置更靠近过渡区（TZ），且暂停时间最短，表明其可能在 IFT 列车组装后期或列车已经开始移动时才与之结合；IFT - B 和 IFT - A 则在组装早期与列车结合。此外，BBSomes 和 IFT - A 更靠近纤毛膜，而 IFT - B 更靠近轴丝。
   研究结论和讨论部分指出，该研究利用秀丽隐杆线虫化学感觉神经元的特殊结构，借助 SWIM 技术，清晰地展示了 IFT 组件从细胞体到纤毛基部的运输过程，以及它们在基部组装成 IFT 列车并进入纤毛的详细机制。研究发现扩散在运输完整 IFT 列车亚复合物过程中起着关键作用，BBSomes 在纤毛基部可与 PCMC 膜或 IFT 列车结合，IFT 亚复合物通过囊泡运输到 PCMC 后解离形成扩散池，且 IFT 组件在组装成 IFT 列车的过程中存在先后顺序。这些发现为理解纤毛内运输机制提供了重要依据，未来研究可在此基础上，运用相同方法对 IFT 和前向列车组装缺陷的突变体进行研究，进一步探究关键组件和调节因子的功能。总之，这项研究成果为纤毛生物学领域的发展奠定了坚实基础，有望推动相关疾病机制的研究和治疗方法的开发。