【科学普及】纤毛——细胞的“船桨”与“天线”

【科学普及】纤毛——细胞的“船桨”与“天线” 原创 林鹏、孔令敏等 细胞世界

我们知道，正常人体内的器官分布并非左右完全对称，如心脏偏向身体的左侧，肝位于右侧。但在人群中存在着这样一些罕见的案例，他们某一个或一些器官的位置恰好与正常人相反，这在医学上称之为“内脏逆位”（图1）。是什么造成内脏逆位的发生呢？这就要说到本文的主角——纤毛。

图1 内脏逆位（wikipedia.org）

01什么是纤毛

纤毛，单看这个名字，就知道它是个“小家伙”。没错。纤毛（Cilia），是指真核细胞表面由细胞膜覆盖的、由微管构成的轴丝状结构。其发现最早可追溯到17世纪荷兰科学家Leeuwenhoek所观察到原生动物表面的触须样结构。随着显微镜技术不断发展, 人们发现纤毛在真核生物细胞表面广泛存在（图2）。从低等的原生生物的运动纤毛到鞭毛虫和精子的鞭毛，从脊椎动物气道表面的成簇纤毛到线虫尾部的感觉纤毛，纤毛在不同的细胞中发挥着不同的功能。

图2 不同细胞表面的纤毛

02 纤毛的结构与分类

纤毛主要由基体、轴丝、纤毛膜及纤毛基质构成（图3）。其中基体锚定在细胞膜上，参与纤毛的发生；轴丝则由规则排列的微管及其附属蛋白组成，以基体为组织中心向外延伸，形成纤毛的主体骨架；纤毛膜由细胞膜延伸而来，包被着轴丝，其上存在一些特定的信号受体分子，能够参与细胞外信号的接收；在轴丝与纤毛膜之间还填充着纤毛基质。

作为纤毛的核心部分，轴丝的横切面呈现出一种独特的结构：9+2型运动纤毛中间为两根平行的中央微管，外围为9组平行的双联体微管；相邻的外周双联体微管由连接蛋白和参与微管运动的动力臂相连，并通过放射辐条和中央微管相互作用。整个轴丝呈现出类似车轮样的结构，这与其发挥结构支撑或运动的功能相适应。

图3 纤毛的基本结构（翻译自wikipedia.org）

依据轴丝有无中央微管，纤毛可以分为9+2型和9+0型（图4）。其中，9+2型纤毛含有2条中央微管以及辐条、动力臂和连接蛋白等结构，一般具备运动功能，因此也称为运动纤毛。典型的例子有哺乳动物呼吸道内的运动纤毛、精子的鞭毛等；而9+0型纤毛没有中央微管和动力臂等运动相关结构，主要发挥信号接收传导的作用，不参与纤毛运动，故称为不动纤毛或初级纤毛。胆管细胞纤毛、胰管纤毛、视网膜中光受体连接纤毛等均属于不动纤毛。

图4 纤毛的类型[1]

03 纤毛的功能——“船桨”与“天线”

结构决定功能，纤毛独特的结构与其发挥的具体功能是相适应的。

运动纤毛，它可以是某些细胞本身的运动器官，最典型的例子是鞭毛虫和精子依靠鞭毛推动自身前进；某些细胞自身并不运动，但可以利用动纤毛带动周围的液体进行流动，如输卵管纤毛参与卵子的运输，脊髓纤毛参与脑脊液的循环，而呼吸道上皮细胞的纤毛，则可以通过摆动把粘附了灰尘以及有害病菌的黏液送到鼻咽部继而通过咳嗽排出（图5）。运动纤毛就像细胞的“船桨”，可以推动自身或周围液体的运动。

图5 呼吸道纤毛的功能（翻译自wikipedia.org）

在文章开头，我们曾提到内脏逆位是由于运动纤毛的功能异常引起的（图6）。目前研究表明，在脊椎动物胚胎发育的早期，胚胎中轴线上存在一个称为“节点”的特殊区域。节点上每个细胞都长着一根可以运动的纤毛，它们集体向左倾斜，像螺旋桨一样进行转动，带动节点表层流体向左流动。而这个流动信号会被节点左侧细胞上的纤毛所感知，从而只在这一侧启动相关信号通路，胚胎的左右不对称发育就这样产生了。也就是说，如果节点处的纤毛发生运动障碍，就会导致内脏逆位这种发育异常的产生。

图6 内脏逆位的发生机制[2] [3]

关于不动纤毛，早期人们认为其仅仅是细胞表面退化的无功能附属结构，但近些年的研究表明不动纤毛表面分布着许多跨膜受体，其基质中存在大量信号通路传导的相关分子，因此能够参与细胞对多种胞外信号的感知和转导。一些不动纤毛可以作为细胞的“天线”，参与气味、声音、光、机械力等胞外信号的感知，如嗅觉感受器上的纤毛就有大量嗅觉相关的受体，可以接受气味儿分子的刺激传导嗅觉信号（图7）。另一些细胞表面的非运动纤毛还可以通过Hedgehog、Notch、TGF-β、Ca2+等信号通路参与调控细胞的分化、发育和增殖。

图7 纤毛在嗅觉感受中的作用

（翻译自wikipedia.org）

04 与纤毛相关的疾病

纤毛的功能如此重要，因此凡是能影响纤毛结构、功能和稳态的缺陷都会导致纤毛相关的疾病。

目前科学家已经发现了187个可以导致纤毛病的基因，已经发现的纤毛疾病大概有35 种，其中运动纤毛异常通常会导致“原发性纤毛运动障碍综合症”（PCD），其典型症状包括不育、脑积水和呼吸道疾病等；而不动纤毛主要导致感觉发育障碍、脑发育异常以及多囊肾等疾病。两种纤毛异常均会导致内脏逆位的发生。而且由于纤毛相关疾病一般为遗传性、系统性疾病，目前临床上根治的办法很有限，治疗主要以缓解症状为主。

图8 纤毛相关疾病[4]

随着超高分辨率成像技术和冷冻电镜等技术手段的进步，近年在纤毛发育、纤毛的运动机制、纤毛内物质运输等关键科学问题不断取得新的突破，而不断迭代更新的CRISPR基因编辑技术也有望为纤毛相关疾病的治疗带来曙光。

参考文献

[1] Julia Wallmeier, Kim G. Nielsen Motile ciliopathies[J]. Nat Rev Dis Primers,2020.

[1] Shinohara K, Hamada H. Cilia in Left-Right Symmetry Breaking[J]. Cold Spring Harb Perspect Biol,2017.

[2] Babu D, Roy S. Left-right asymmetry: cilia stir up new surprises in the node[J]. Open Biol,2013.

[3] Reiter J F, Leroux M R. Genes and molecular pathways underpinning ciliopathies[J]. Nat Rev Mol Cell Biol,2017.

作者简介：

林鹏 空军军医大学基础医学院细胞生物学教研室

孔令敏 空军军医大学基础医学院细胞生物学教研室

边惠洁 空军军医大学基础医学院细胞生物学教研室

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原标题：《【科学普及】纤毛——细胞的“船桨”与“天线”》

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