醫學院李海濤課題組《自然·通訊》發文揭示中心粒/纖毛長度控制機制

醫學院李海濤課題組《自然·通訊》發文揭示中心粒/纖毛長度控制機制

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 清華新聞網6月21日電 6月16日，《自然》子刊《自然·通訊》（Nature Communications）長文發表了清華大學醫學院李海濤教授課題組與德國科隆大學分子醫學中心Jay Gopalakrishnan博士課題組的合作論文《CPAP-微管蛋白互作在中心粒/纖毛長度控制中的分子基礎》（Molecular basis for CPAP-tubulin interaction in controlling centriolar and ciliary length），揭示了細胞中心粒/纖毛長度控制新機制。

 中心粒是動物細胞內一類重要的胞內結構，由多種中心粒蛋白和微管組成，是構建細胞中心體及纖毛的基礎。其中，中心體參與細胞有絲分裂紡錘體構建，與染色體等量精確分離密切相關。纖毛是細胞G0期的重要標誌細胞器，可以調控細胞乾性維持及分化和非對稱分裂等多種細胞生命活動。中心粒的數目和結構異常會導致癌症或其他疾病（如多囊腎）的發生。有證據表明，中心粒蛋白的缺失和突變可誘發先天小腦畸形或巴德-畢德氏症候群等神經系統遺傳病。雖然人們已經通過多種手段探明了中心粒的基本構造，但是關於中心粒的組裝及長度控制機制等，至今仍然缺乏深入研究。
 

圖一 中心粒蛋白CPAP的PN2-3結構域與微管素二體的複合物結構及其突變體對纖毛長度的影響。

CPAP是參與中心粒複製和組裝的關鍵因子之一，在中心粒微管生長和中心體成熟等過程中發揮重要功能。已有研究表明，CPAP蛋白包含PN2-3、A5N、CC及TCP等多個結構域，其中，位於氨基端的PN2-3結構域可以從細胞質中捕獲並結合微管素二體，PN2-3和微管素的結合常數高達26納摩爾。李海濤課題組通過結構解析及交聯質譜等技術發現，PN2-3結構域能夠以一種類似「項鍊」的方式盤繞結合在微管素二體上，其中羧基端片段形成「loop-helix」結構，結合到β-微管素外表面，而其氨基端片段結合在β-微管素內表面（參見圖一）。

 本研究發現一個有趣的現象，PN2-3和微管素之間特殊結合模式為中心粒微管的組裝和可控生長提供了分子結構基礎。一方面，PN2-3的強微管素結合能力保證了CPAP蛋白能夠有效捕獲微管素二體，為微管組裝提供原料；另一方面，CPAP通過可控的微管素釋放，進而實現微管的定向生長。這樣CPAP蛋白就像建築工人一樣，主動調控著中心粒或者纖毛微管的聚合與組裝。本研究鑑定出兩類PN2-3點突變：因為導致CPAP不能有效捕獲微管素二體（F375A），或失去了對微管素釋放的嚴謹控制（EE343RR），從而表現出明顯的纖毛/中心粒變短或「過長」表型（參見圖二）。
 

 

圖二 中心粒蛋白CPAP調控中心粒/纖毛微管長度的機制示意圖。

CPAP是導致先天性小腦畸形（Microcephaly）的關鍵因子之一，發生在其羧基端TCP結構域的E1235V突變被證明與遺傳性先天小腦畸形的發生密切相關。李海濤課題組曾於2014年在《美國科學院院報》(PNAS)發表論文報導了果蠅CPAP蛋白TCP結構域的晶體結構，並於2015年榮獲「人類前沿科學計劃」 （HFSP）「青年科學家獎」的國際資助。本項工作是對中心體蛋白CPAP在中心粒/纖毛複製和組裝中發揮重要功能的新進展。

 本工作由清華大學醫學院李海濤課題組和德國科隆大學分子醫學中心Jay Gopalakrishnan博士課題組聯合完成。李海濤教授課題組CLS博士後鄭向東為本論文第一作者，二年級博士研究生鄭雙平參與了部分重要工作。本課題的交聯質譜實驗與生命科學院鄧海騰教授和馮衫博士合作完成，TIRF-微管動力學分析得到了生命科學院歐光朔教授、李文靜博士以及生物影像平臺的王文娟博士指導和大力協助。衍射數據收集在上海同步輻射光源設施完成。本項目得到人類前沿科學計劃（HFSP）、國家自然科學基金項目、北京結構生物學高精尖中心和生物治療協同創新中心等支持資助。

論文連結：http://www.nature.com/ncomms/2016/160616/ncomms11874/full/ncomms11874.html

供稿：醫學院 編輯：李華山