哺乳动物动纤毛中央微管组装的分子机制研究

Motile cilia/flagella are evolutionarily conserved hair-like structures and their axonemes are composed of 9+2 microtubules. It is believed that the central apparatus generates the initiate signals and transmits them to dynein arms through interaction with radial spokes and subsequently the dynein arms slide along the adjacent MT doublets to generate the cilia motility. Therefore, defects in both structure and function of the central apparatus affect cilia beating and cause primary ciliary dyskinesia, an autosomal recessive disorder. The studies from Chlymodomonas give an insight into the structure and components of the central apparatus, however, the molecular mechanism underlying central apparatus assembly remains elusive. Furthermore, various studies also reveal the significant differences in the assembly of the central apparatus between Chlamydomonas and mammals. In our previous studies, we identified a WD40 and LisH motif containing protein, wdr47, which plays a critical role in the assembly of the central pair of MTs. Knockout of wdr47 results in loss of the central pair of MTs and change of cilia beating patterning. In this proposal, we will screen for the key gene(s) functioning in the assembly of the central apparatus and explore its/their function and relationship(s) between these genes and wdr47. Finally, we will uncover the underlying molecular mechanism of the central apparatus assembly in mammals.

运动纤毛／鞭毛是一种高度保守的毛发状结构，它的轴丝主要由9+2的微管组成。目前的研究认为在纤毛运动过程中，中央微管产生运动的初始信号，通过辐射轴传递到动力蛋白臂，调控纤毛摆动。中央微管的结构和功能缺陷都会影响纤毛运动，导致原发性纤毛运动障碍综合征。虽然目前通过对衣藻的中央微管的研究，我们对中央微管的功能和组成有了一定的了解，但是中央微管的组装机制仍不清楚。此外，目前的研究也提示哺乳动物动纤毛的中央微管组装的分子机理与衣藻有很大的不同。在我们的前期研究中，我们发现了哺乳动物动纤毛中央微管发生必需的基因，wdr47，它的敲除导致动纤毛中央微管缺失，纤毛运动异常。以wdr47及其基因敲除小鼠为切入点，本项目将筛选哺乳动物中央微管组装及其功能相关的重要基因，深入研究中央微管组装的分子机理。

动纤毛广泛分布在哺乳动物的脑室膜、气管和输卵管等上皮细胞表面，通过纤毛摆动在脑脊液循环、呼吸道清理以及卵子输送中起关键作用。动纤毛的轴丝一般由9组二联管和一对中央微管组成。由于中央微管产生纤毛运动的初始信号，因此中央微管的结构和功能缺陷会影响纤毛运动，导致原发性纤毛运动障碍综合征。虽然中央微管非常重要，但是它的形成和维持机制并不清楚。通过本项目的研究，我们发现Wdr47及其结合蛋白质Camsap1-3是调控哺乳动物动纤毛中央微管形成的核心因子。Wdr47敲除会导致中央微管缺失和动纤毛的摆动方式改变。Wdr47与微管结合蛋白质Spef1以及微管负端结合蛋白质家族成员Camsap1-3相结合并共定位于中央微管。进一步的机制研究发现，在中央微管形成过程中，微管剪切蛋白质复合物Katanin剪切外周微管提供微管种子，Camsaps稳定微管种子，而Wdr47将Camsps及其结合的微管招募到轴丝的中央腔，形成中央微管（Nat Commun,2021a）。在中央微管形成后，Spef1和Wdr47结合并定位到中央微管，起到稳定中央微管的作用(J Mol Cell Biol,2019)。除了Spef1，中央微管的稳定性还受到辐射轴头部蛋白质Rsph9 (Biol Cell,2018)和纤维状颗粒（Nat Commun,2021b）的调控。此外，Wdr47和Camsap1-3还对神经元极化有重要调控作用（Cell Rep,2020）。