NSMB+Sci Adv | 张锐/David Sibley团队解析弓形虫入侵宿主细胞关键细胞器锥体的高分辨率结构

顶复门（ Apicomplexa）是真核生物中一个重要的寄生虫类群，包含多种对人类健康和动物生产均具有重大威胁的寄生虫，例如弓形虫 (Toxoplasma gondii)、隐孢子虫 (Cryptosporidium

2025年12月9日，圣路易斯华盛顿大学张锐团队联合美国科学院院士David Sibley团队在Nature Structural & Molecular Biology期刊发表研究论文，题为

Atomic models of the

Toxoplasma

cell invasion machinery

紧接着在12 月 10 日，同一团队在Science Advances期刊发表研究论文，题为Evolutionarily Convergent Mechanism of Formin Regulation Coordinates Actin Polymerization in Apicomplexan Parasites【2】。钱鹏戈博士是本文的第一作者。

顶复门寄生虫利用一种独特的滑移运动机制侵入宿主细胞和组织。该过程由肌动蛋白–肌球蛋白（actomyosin）马达驱动，并依赖一个位于虫体顶端、动态且呈锥形的细胞器锥体（conoid）。弓形虫的锥体（图1）呈笼状结构，由约 14 条螺旋状锥体纤维（conoid fibers, CFs）构成，每条 CF 由 9 条微管蛋白（tubulin）原纤维（protofilaments）组成，并排列成弯曲的 C 形开放管状结构。这些 CF 紧密并列，在顶端由三个前锥体环（preconoidal rings, PCRs）封盖，在底部由一个顶极环（apical polar ring, APR）固定，整个锥体结构可通过 APR 区域进行伸缩。在锥体笼内部，还存在一对由 13 条原纤维构成的常规微管，称为锥内微管（intraconoidal microtubules, ICMTs）。ICMTs 是棒状体等虫体顶端分泌细胞器精准停靠与定向释放的关键结构，确保多种效应分子的顺利排出， 从而支持虫体高效完成入侵。

图1 锥体纤维（conoid fibers）的高分辨结构

在 Cryptosporidium parvum 的孢子体（sporozoite）中，锥体尺寸较小，但 PCRs 与 APR 等关键结构仍高度保守。相比之下，疟原虫 Plasmodium 属的锥体结构进一步退化，但 PCRs 与 APR 依旧保留；在按蚊中肠内具有运动能力的动合子(ookinete)阶段，仍可观察到一个短而扁平的锥体结构。

在弓形虫中，APR（顶极环）锚定着 22 条皮下微管（subpellicular microtubules, SPMTs）的负端。这些微管自 APR 向后延伸，沿寄生虫细胞体约三分之二的长度支撑细胞膜结构（图1）。SPMTs 与内膜复合体（inner membrane complex, IMC）相连，IMC 由位于质膜下方的一系列扁平膜泡（alveoli）构成。与哺乳动物细胞中的微管相比，弓形虫的 SPMTs 异常稳定，即使在去污剂处理或低温条件下仍能维持其完整性。张锐团队与 David Sibley 团队曾于 2021 年在 Nature Communications 报道了弓形虫 SPMT 的高分辨率结构和原子模型【3】。这是首个内源微管的高分辨率结构。该研究揭示 SPMT 管腔内存在三种微管内蛋白（microtubule inner proteins, MIPs），并证明这些 MIPs 的结合对维持 SPMT 的高度稳定性至关重要。

目前关于锥体蛋白组成的认识主要来自对带有表位标签蛋白的荧光显微镜观察，以及细胞分级结合蛋白组学分析，包括利用同位素标记实现高通量细胞器蛋白定位的 hyperLOPIT 方法。累计已有超过 40 种蛋白被明确定位于锥体区域。然而，由于空间分辨率有限，这些蛋白通常无法被进一步准确分配到具体的复合体结构中；此外，由于方法学限制，目前的蛋白目录仍可能不够全面。

近年来，冷冻电镜断层扫描（cryo-electron tomography, cryo-ET）及其子断层平均技术，使人们能够以前所未有的细节观察顶复门寄生虫的锥体结构【4-7】。然而，现有分辨率通常在 8–30 Å 范围内，尚不足以直接识别蛋白，因而限制了进一步的功能解析与机制研究。

此项研究应用了另一项关键的冷冻电镜技术单颗粒分析（single-particle analysis, SPA），对从弓形虫直接分离的内源样品进行解析，获得了多种锥体关键组分的ex vivo高分辨率结构，包括基于微管蛋白的锥体纤维（conoid fibers, CFs）（图1），皮下微管（subpellicular microtubules）、两根不同的锥内微管（intraconoidal microtubules, ICMTs）（图2），以及前锥体环 P2（preconoidal ring P2）（图3）。高分辨率的结构细节使团队能够准确鉴定出 40 种组成蛋白，其中许多此前尚未被识别。

图 2 锥内微管（ intraconoidal microtubules, ICMTs ） 的高分辨结构

图3 前锥体环（preconoidal rings, PCRs）P2的高分辨结构

论文报道了一种高度弯曲、类似微管的聚合物 CFs (图1) 的原子结构。与经典的 13 原微管不同，CFs仅由 9 条原纤维（protofilaments）构成。这种不寻常的微管蛋白组装形式仅存在于进化上高度分化的真核生物中，为理解微管结构与力学的基本原理提供了独特的视角。通过比较三类不同的微管蛋白装配体CFs、ICMTs和SPMTs，研究人员发现微管相关蛋白（microtubule-associated proteins, MAPs）通过调节原纤维几何构型，赋予微管专门化的功能。

在真核生物中，肌动蛋白（actin）动力学遵循高度保守的机制：formin 负责启动丝状体聚合，而肌球蛋白（myosin）马达则推动丝状体发生定向移动。在此研究中，团队发现前锥体环 P2 是肌动蛋白结合蛋白（包括 formin、myosin 和 filamin）高度富集的关键调控枢纽（图3）。这些蛋白被锚定在特定的细胞骨架位置，使寄生虫能够在空间和时间维度上精确调控肌动蛋白流动，从而实现弓形虫特有的滑移运动及高效的宿主细胞入侵能力。

在同一团队于12月10日发表在Science Advances的论文中【2】，研究人员进一步揭示 FRM1 的分子调控机制。研究表明，FRM1 与一种蛋白甲基转移酶形成复合物，该复合物不仅保护 FRM1 免于降解，同时确保其稳定位于细胞前端。此外，团队鉴定出 FRM1 内部存在一个保守的分子内相互作用，该相互作用构成一个关键的调控开关（图4），并在疟原虫及其他顶复门寄生虫中功能保守。通过结构建模与生化实验相结合，团队界定了位于 FH2 结构域上游的两个调控元件，它们介导 FRM1 的自抑制。激活这一分子内开关会使这些调控元件重新定位，从而解除自抑制并激活 FH2 结构域的肌动蛋白聚合能力。

图4 FRM1 内部存在一个保守的分子内相互作用作为调控开关激活肌动蛋白聚合

此项研究大幅推进了对锥体分子组成与组织方式的理解，超越了此前主要依赖蛋白组学、光学显微镜和冷冻电镜断层扫描所获得的认识。基于本研究构建的原子模型，可作为解析各个组分功能的蓝图。通过条件敲低（conditional knockdown）、合成致死（synthetic lethality）分析以及完整基因敲除实验，团队已经鉴定出多种对寄生虫生长必需的蛋白。

前锥体环展示出惊人的结构复杂性：1）从上至下分为3层，分别为P1，P2，P3环；2）P2，P3环重复单元高达46个；3）仅P2环的一个重复单元就含有20 种不同组分蛋白（图3）。其组织精细程度可与核孔复合体（Nuclear Pore Complex, NPC）相媲美，并超过绝大多数已知的寡聚环状装配体。高密度的亚基堆积形成稳定的结构核心并具有广泛的内部相互作用界面，而外部多样化的结构域则可能参与执行特化的功能角色。此结构为理解大型产生机械力的高分子复合体的形成与演化提供了重要线索。

考虑到锥体的高度复杂性，其在进化上很难一蹴而就地形成。同时，鉴于现存的其他生物类群中缺乏对应的同源结构，其源自远缘物种的可能性也很小。要理解锥体的起源与功能，未来需要研究和解析其他顶复门生物以及系统发育上更为遥远的Myzozoa（粘孢子总门）成员的类锥体结构。这些类群跨越超过十亿年的演化历史。

锥体是顶复门寄生虫（包括弓形虫、隐孢子虫和疟原虫等重要人类病原体）的定义性结构。该研究是顶复门原虫细胞骨架领域最具里程碑意义的工作之一，不仅系统梳理并以结构证据实证了过去近 60 年关于其特征细胞器锥体（conoid）的核心认识，而且为寄生虫细胞骨架及其功能机制的未来研究奠定了结构框架。通过对锥体组成蛋白的整合性结构与功能解析，进一步阐明了其装配与动态变化的分子原理，并为发现针对弓形虫病、隐孢子虫病和疟疾的新型干预靶点奠定了坚实基础。

圣路易斯华盛顿大学张锐团队长期深耕微管与细胞骨架结构研究，近年来在解析动纤毛和鞭毛“9+2”结构方面取得了一系列重要突破（详见BioArt报道：；）。寄生虫细胞骨架的结构与发育是实验室当前的重要研究方向（详见BioArt报道：）。Zhang Lab 诚挚欢迎有志青年加入，与我们共同探索该领域最前沿的科学问题。

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01728-w

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2136

制版人： 十一

参考文献

1. Zeng, J., Fu, Y., Qian, P., Huang, W., Niu, Q., Beatty, W.L., Brown, A., Sibley, L.D., and Zhang, R. (2025). Atomic models of the Toxoplasma cell invasion machinery.

Nat Struct Mol Biol

2. Qian, P., Fu, Y., Zeng, J., Naldrett, M.J., Zhang, R., and Sibley, L.D. (2025). Evolutionarily convergent mechanism of formin regulation coordinates actin polymerization in apicomplexan parasites.

Sci Adv

3. Wang, X., Fu, Y., Beatty, W.L., Ma, M., Brown, A., Sibley, L.D., and Zhang, R. (2021). Cryo-EM structure of cortical microtubules from human parasite Toxoplasma gondii identifies their microtubule inner proteins.

Nat Commun

4. Sun, S.Y., Segev-Zarko, L., Chen, M., Pintilie, G.D., Schmid, M.F., Ludtke, S.J., Boothroyd, J.C., and Chiu, W. (2022). Cryo-ET of Toxoplasma parasites gives subnanometer insight into tubulin-based structures.

Proc National Acad Sci

5. Gui, L., O’Shaughnessy, W.J., Cai, K., Reetz, E., Reese, M.L., and Nicastro, D. (2023). Cryo-tomography reveals rigid-body motion and organization of apicomplexan invasion machinery.

Nat Commun

6. Li, Z., Du, W., Yang, J., Lai, D., Lun, Z., and Guo, Q. (2023). Cryo-Electron Tomography of Toxoplasma gondii Indicates That the Conoid Fiber May Be Derived from Microtubules.

Adv Sci

7. Sun, S.Y., Segev-Zarko, L., Pintilie, G.D., Kim, C.Y., Staggers, S.R., Schmid, M.F., Egan, E.S., Chiu, W., and Boothroyd, J.C. (2024). Cryogenic electron tomography reveals novel structures in the apical complex of Plasmodium falciparum.

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