生命學院梁鑫課題組報道機械力感受神經元中特化細胞骨架的三維結構及其形成的分子機制

                2020-12-04 09:28:48

                2020年12月2日,清華大學生命科學學院梁鑫課題組在線發表了題為“Katanin p60-like 1塑型機械力感受纖毛中細胞骨架”(Katanin p60-like 1 Sculpts the Cytoskeleton in Mechanosensory Cilia)的研究論文。這一工作為進一步了解生物體感受機械力信號的結構和功能基礎打開了大門。同時,本工作也首次應用電子斷層成像的方法對神經元樹突末梢中高密度的骨架結構進行了在體原位分析,為解析該類復雜結構發生的分子機制提供了新的實驗方法。

                機械力信號轉導是細胞將胞外機械力信號轉換為胞內信號的過程,它是觸覺、痛覺、平衡覺等重要生理學過程的細胞生物學基礎。在這一過程中,感受神經元中的力敏感離子通道可以將環境中的機械刺激轉換為電信號,而細胞膜和細胞骨架等支撐結構則決定了力信號轉導的敏感性。梁鑫課題組在前序工作中發現果蠅I型機械力感受神經元樹突頂端存在特化的纖毛結構,該結構中存在著由非中心體微管構成的高級細胞骨架結構,該結構具有結構支撐和力學感受雙重功能(Sun et al., PNAS 2020 DOI: 10.1073/pnas.1819371116)。為了進一步了解上述細胞骨架的結構及其發生的分子機制,研究者們首先應用基于電子斷層成像的三維電鏡重建技術在近分子水平的分辨率上原位解析了上述細胞骨架的高級結構,并結合活體細胞顯微成像技術測量了微管纖維的極性、動力學及穩定性。接著,研究者們進一步結合遺傳學,行為學,單分子體外生化方法,電生理和在體鈣離子成像功能分析等多種手段,發現微管切割蛋白Kat-60L1具有特異性的表達模式和空間定位,而且能夠調控該類感受神經元對機械力信號響應的敏感性。進一步的結構和動力學分析表明,該分子通過與其它微管結合蛋白協同能夠協調地控制特化纖毛結構中微管的數量和長度,并進而精確調控了纖毛內特化微管細胞骨架的三維塑型,最終實現對整個纖毛結構形態發生及功能的最優化。

                2020年12月2日,該論文在線發表于《細胞生物學雜志》 (Journal of Cell Biology),并將作為封面論文刊登于2021年首期雜志。清華大學生命學院梁鑫研究員為本文的通訊作者,課題組博士后孫蘭弟博士,2017級普博生崔立虹和2015級直博生劉真為該論文共同第一作者,王琦軒,薛兆玉和吳孟華等同學參與了部分研究工作。清華大學Jose Pastor課題組和倪建泉課題組為該研究工作提供了重要的轉基因工具果蠅品系。本工作的開展獲得了科技部重點研發計劃、國家基金委、清華-北大生命聯合中心以及北京結構生物學高精尖創新中心競爭性項目的支持。

                論文鏈接:https://doi.org/10.1083/jcb.202004184


                圖1. 力感受神經元中特化纖毛內基于微管的細胞骨架三維結構


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