NIMA相关蛋白激酶CNK4调控纤毛稳定性和长度的分子机制研究

Cilia/flagella are conserved MT-based organelles projecting from cell surface. Cilia are involved in a variety of cell processes including cellular motility, signal transduction, cell differentiation and development. Ciliary assembly and maintenance are complexly and precisely regulated. Defects in ciliary structure and function have been shown to cause a serious of genetic diseases and developmental disorders termed ciliopathies. In previous research, we find that a Chlamydomonas Nrk, CNK4, regulated ciliary stability and length. The cnk4-null mutant exhibited long flagella, with formation of flagellar bulges. The flagella gradually became curled, leading to flagellar loss. Electron microscopy shows that the curled flagella involved curling and degeneration of axonemal microtubules. cnk4 mutation resulted in flagellar increases of methylated proteins and IFT trains, and IFT trains frequently stalled in the flagella. This project is focused on the research that how CNK4 regulates ciliary microtubule stability and ciliary length to uncover the mechanism of CNK4 regulating ciliary length and stability, and improve our knowledge of the mechanism underlying ciliary length and maintenance. The findings of the research will provide new clues and theoretical support for diagnosis and therapy of ciliopathies.

纤毛/鞭毛是存在于细胞表面以微管结构为基础的保守细胞器。纤毛具有多种多样的生物学功能，包括参与细胞运动、进行信号传导、调控细胞分化和发育。纤毛的组装和维持都受到复杂而精细的调控，纤毛的结构和功能的缺陷将会导致一系列纤毛疾病。在前期的研究中，我们发现衣藻中NIMA相关蛋白激酶CNK4对纤毛的稳定性和长度具有调控作用。CNK4缺失后细胞组装形成长纤毛，并且在纤毛上形成膨胀突起进而逐渐卷曲脱落。cnk4纤毛的电镜图片显示卷曲的纤毛中微管结构不稳定，发生了卷曲和解体松散。CNK4缺失后纤毛内甲基化修饰蛋白和IFT蛋白增加，并且IFT运动发生频繁的停滞。本项目拟研究CNK4调控纤毛微管稳定性的作用机理和CNK4调控纤毛长度的作用机理，进而揭示CNK4蛋白激酶对纤毛稳定性和长度的具体调控机制，进一步完善纤毛组装和维持的调控理论，该研究将会为纤毛疾病的诊断和治疗提供新的线索和理论支持。

纤毛（或鞭毛）是以微管结构为基础的保守的细胞器，像天线一样突出于几乎所有真核细胞的表面。真核生物的纤毛参与多种细胞过程，包括细胞运动、液体流动、信号传导、细胞分化和发育。纤毛发生缺陷会导致一系列遗传疾病和发育异常，被称为纤毛疾病。纤毛正确的组装、维持和摆动对于纤毛发挥功能是至关重要的，但是目前关于纤毛组装维持和长度调控的机制了解的还不是十分清晰。. 在前期的研究中，我们发现在衣藻中CNK4缺失后细胞组装形成长纤毛，并且在纤毛上形成膨胀突起进而逐渐卷曲脱落。cnk4纤毛的电镜图片显示卷曲的纤毛中微管结构不稳定，发生了卷曲和解体松散。通过本项目研究发现CNK4的蛋白激酶活性对其纤毛调控功能是必须的，但其定位不依赖其激酶活性。CNK4缺失对纤毛微管蛋白的乙酰化和谷氨酰化修饰水平不产生明显影响，即CNK4不是通过改变微管蛋白的修饰影响其稳定性。CNK4缺失后导致纤毛中蛋白翻译后甲基化修饰相关酶MetE增加，且纤毛内精氨酸和赖氨酸甲基化修饰蛋白明显增多，暗示其可能通过改变纤毛蛋白的甲基化进而调控纤毛的稳定性。. 另外，与其他单位合作进行了纤毛疾病突变基因的鉴定和功能研究工作。通过外显子组测序鉴定到IFT74是Joubert综合征的相关基因，并且进行了细胞和生化方面的相关研究，研究发现在病人成纤维细胞中IFT74突变将影响纤毛的长度、组分和纤毛相关信号通路。该项研究工作将IFT B核心复合物和Joubert综合征联系在一起，扩大了由IFT基因突变所引起的纤毛病的基因谱，并且提高了Joubert综合征的分子诊断。. 这些研究将进一步完善纤毛组装和维持的调控理论，将会为纤毛疾病的诊断和治疗提供新的线索和理论支持。