纖毛（也稱鞭毛）作為一種真核生物突出在細(xì)胞表面的保守細(xì)胞器，可以行使感受、分泌和運(yùn)動等功能。生殖細(xì)胞精子的單根鞭毛和原生生物如衣藻的雙根鞭毛可以通過擺動產(chǎn)生的動力來推動細(xì)胞體的定向游動。分布在人體呼吸道、輸卵管和腦室細(xì)胞表面成簇的多纖毛可以通過協(xié)調(diào)性的擺動推動細(xì)胞表面的液體定向流動，從而分別完成粘液清除、卵子轉(zhuǎn)移、腦脊液信號分子擴(kuò)散等功能。這些纖毛的協(xié)調(diào)性運(yùn)動一旦遭到破壞，會造成哮喘、不孕、腦積水等纖毛病。但纖毛協(xié)調(diào)性擺動的分子機(jī)制并不清楚。 

　　中國科學(xué)院水生生物研究所黃開耀學(xué)科組與中國海洋大學(xué)趙呈天團(tuán)隊合作揭示了CYB5D1蛋白在調(diào)控纖毛協(xié)調(diào)性擺動中的關(guān)鍵作用。CYB5D1含有heme-binding和cordon-bleu ubiquitin兩個保守的結(jié)構(gòu)域，在具有動纖毛的物種中高度保守。利用CRSPR-Cas9技術(shù)敲除斑馬魚中的CYB5D1之后，在胚胎發(fā)育階段斑馬魚的耳石數(shù)目增多，這與運(yùn)動纖毛中輻條蛋白突變體的表型類似。隨后利用正向遺傳學(xué)的方法獲得了CYB5D1衣藻突變株。突變體細(xì)胞的游動速率明顯比野生型慢，其游動路徑曲折且經(jīng)常出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)的情況（圖一）。利用高頻顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)野生型細(xì)胞的兩根鞭毛呈現(xiàn)協(xié)調(diào)性擺動，即兩根鞭毛同時向前或向后擺動，就像蛙泳一樣推動細(xì)胞向前移動。而突變體的兩根鞭毛擺動是不協(xié)調(diào)的，一根向前的時候一根向后；或一根正常擺動的時候，另外一根突然縮回來，造成細(xì)胞左右搖擺或沿著一個方向打轉(zhuǎn)。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)突變體鞭毛的擺動不協(xié)調(diào)其主要是由于順-鞭毛的擺動缺陷造成的（靠近眼點的為順-鞭毛，另一根為反-鞭毛）（圖一）。同樣，斑馬魚CYB5D1突變體中的耳泡和嗅球中的纖毛擺動的協(xié)調(diào)性也遭到嚴(yán)重破壞，表明CYB5D1調(diào)節(jié)纖毛協(xié)調(diào)性擺動的機(jī)制具有物種的保守性。 

　　生化及遺傳分析發(fā)現(xiàn)，CYB5D1是纖毛輻輪（Radial Spoke）家族的新成員，并定位于其中段 (Stalk)（圖二）。CYB5D1的N端的heme-binding domain，可以結(jié)合heme，而且這種結(jié)合是氧化還原依賴的，即只有氧化形式的CYB5D1才能特異地與heme結(jié)合。CYB5D1突變后鞭毛內(nèi)的氧化還原態(tài)勢比野生型的明顯下降。利用氧化劑處理突變體發(fā)現(xiàn)原來遭到破壞的纖毛擺動協(xié)調(diào)性得到了明顯的拯救（圖二）。 

　　該研究表明氧化還原是一種全新的調(diào)控纖毛協(xié)調(diào)性擺動的信號。CYB5D1可以整合環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)的氧化還原信號，通過調(diào)控纖毛內(nèi)的氧化還原態(tài)來調(diào)控協(xié)調(diào)性擺動 （圖二）。衣藻兩根鞭毛對于氧化還原信號的反應(yīng)存在差異，這也是衣藻改變游動方向的基礎(chǔ)。本研究揭示了氧化還原在纖毛協(xié)調(diào)性擺動中的關(guān)鍵作用，為通過調(diào)控纖毛的氧化還原態(tài)來治療纖毛病提供了基礎(chǔ)。 

　　該研究成果“Heme-binding protein CYB5D1 is a radial spoke component required for coordinated ciliary beating”發(fā)表在PNAS雜志上，水生所趙麗娟博士和中國海洋大學(xué)謝海波博士為該文章的共同第一作者，水生所博士生林軼文和助理研究員劉蓋也參與了相關(guān)工作，中國海洋大學(xué)趙呈天教授和水生所黃開耀研究員為共同通訊作者。參與該項目的還有美國康涅狄格大學(xué)健康中心的Stephen M. King教授團(tuán)隊。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中科院先導(dǎo)項目、山東省海洋S&T基金和--美國國立衛(wèi)生研究院的資助。 

　　文章的在線鏈接：https://www.pnas.org/content/118/17/e2015689118 

　　圖一，CYB5D1在多纖毛協(xié)調(diào)性擺動中起關(guān)鍵作用。（A）CYB5D1缺失導(dǎo)致斑馬魚耳石數(shù)目增加。（B）CYB5D1缺失導(dǎo)致衣藻運(yùn)動缺陷。野生型的游動軌跡呈長線型，且光滑。突變體的游動軌跡是短線型，且扭曲。（C）CYB5D1缺失導(dǎo)致衣藻鞭毛協(xié)調(diào)性擺動缺陷。野生型兩根鞭毛同時向上或者下擺動，細(xì)胞體沿著直線向前移動。突變體兩根鞭毛擺動不一致，順纖毛在完成自下而上的擺動之后突然收回，導(dǎo)致細(xì)胞體向著順鞭毛方向轉(zhuǎn)動。（D）CYB5D1缺失導(dǎo)致衣藻鞭毛擺動模式缺陷。在一個擺動周期內(nèi)野生型兩根鞭毛平掃面積是相同的，而突變體的順鞭毛的平掃面積只有反鞭毛的一半。 

　　圖二，CYB5D1作為保守的輻條蛋白家族的新成員，通過調(diào)控纖毛內(nèi)的氧化還原信號來控制多纖毛的協(xié)調(diào)性擺動。（A）CYB5D1定位于纖毛軸絲。mC::CYB5D1紅色熒光被IFT46::YFP綠色熒光所覆蓋，IFT46是鞭毛膜和纖毛基質(zhì)的成分，表面CYB5D1屬于鞭毛軸絲蛋白。（B）CYB5D1定位于鞭毛軸絲運(yùn)動相關(guān)復(fù)合體輻條的中段。（C）氧化還原調(diào)控纖毛的協(xié)調(diào)性擺動。還原劑處理之后野生型細(xì)胞纖毛的擺動協(xié)調(diào)性比例下降，氧化劑之后突變體細(xì)胞纖毛的擺動協(xié)調(diào)性比例明顯上升。（D）還原劑處理不影響突變體纖毛擺動的協(xié)調(diào)性，而氧化劑處理可以拯救突變體纖毛擺動的不協(xié)調(diào)性。（E）CYB5D1以氧化依賴的形式結(jié)合heme，并將纖毛內(nèi)的氧化還原信號自中央微管（PF20，PP2C）-輻條頭部（RSP1，RSP9）-輻條中段（RSP5，CYB5D1）-內(nèi)動力臂（PP2A，IDA4，IDA5）-外動力臂招募復(fù)合體（DC3）