Cell子刊：纤毛摆动异常怎么办？中科院冯巍/朱学良/任锦启研究揭示Spef1蛋白“液态凝聚”是关键

在哺乳动物体内，动纤毛如同精密的信号天线，其规律性摆动驱动着脑脊液流动或细胞迁移。这一功能的实现依赖于轴丝内部独特的“9+2”微管结构——九组外周二联微管环绕着一对中央微管。与源自基体的外周微管不同，中央微管是非中心体依赖的微管结构，其组装机制一直是纤毛生物学领域的未解之谜。作为中央微管的核心调控因子，Spef1蛋白（又称CLAMP）已被证实对中央微管形成至关重要，但其具体分子机制长期悬而未决。

近日，中国科学院生物物理研究所冯巍团队、上海生化与细胞所朱学良团队及生物物理所任锦启团队合作在《Structure》期刊发表了题为“Coiled-coil-mediated phase separation of Spef1 for central-pair microtubule organization and function”的研究论文。这项国际合作研究首次揭示了Spef1蛋白通过其卷曲螺旋结构域发生液-液相分离，从而富集微管蛋白并促进中央微管组装的分子机制。

研究团队首先通过体外实验发现，Spef1蛋白在生理盐浓度下能够自发形成液滴状凝聚体。这些凝聚体表现出典型的液相特征：可发生融合、内部荧光漂白后快速恢复，且随着时间推移逐渐向凝胶态转变。进一步分析显示，Spef1在细胞内的浓度约为3.3-3.7微摩尔，足以驱动其发生相分离形成动态的胞质凝聚体。

在功能验证中，研究人员将Spef1凝聚体与荧光标记的微管蛋白共孵育。结果显示，这些凝聚体能够高效富集微管蛋白，且在添加GTP后，凝聚体内部开始放射状生长出微管束，最终形成复杂的微管网络。电镜观察进一步证实，这些微管束确实从Spef1凝聚体表面向外延伸。

通过结构域截断实验，研究团队定位到Spef1的C端卷曲螺旋结构域是驱动相分离的关键区域。单独表达该结构域即可形成核内凝聚体，而缺失该区域则完全丧失相分离能力。晶体结构解析显示，Spef1-CC形成平行二聚体，其表面呈现独特的电荷分布模式，这与普通二聚化结构域存在本质区别。

基于结构信息设计的点突变实验证实，破坏二聚化（L208A/L212A突变）或改变表面电荷分布（5RQ突变）均严重削弱Spef1的相分离能力。在微管蛋白共组装实验中，这两个突变体均无法形成微管星体结构，表明其丧失了组织微管网络的功能。

在小鼠室管膜细胞模型中，回补野生型Spef1可完全拯救由Spef1缺失导致的纤毛摆动异常。而5RQ突变体虽然能部分恢复中央微管形成，但其形成的蛋白凝聚体偏离中央轴心，导致大部分纤毛仍表现为病理性旋转摆动。二聚化缺陷的LL突变体则完全无法定位到纤毛，更无法恢复中央微管结构。

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