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你可能从未听说过“初级纤毛”——这个从细胞表面伸出、像天线一样微小结构,在绝大多数人体细胞上都能找到,但即便是许多专业生物学家也对它知之甚少。长期以来,它甚至被当作“进化残留物”而被忽视。然而,当这个小小的天线失灵,将会引发被称为“纤毛病”的严重疾病,导致小头畸形、智力障碍等大脑发育异常。这个 不 足细胞总体积万分之一的微小结构,究竟藏着什么样的秘密?
近日,加州 大学默塞德 分校 / 河滨分校XuecaiGe团队在Cell Reports上发表了题为Proximity labeling proteomics maps radial glial ciliary proteins across the developing telencephalon的研究论文。研究团队通过构建Cilium-TurboID转基因小鼠模型,结合定量蛋白组学,在体内系统绘制了胚胎端脑放射状胶质细胞( radial glia, RG )初级纤毛的蛋白质图谱。该研究不仅揭示了纤毛蛋白的脑区特异性分布,还意外发现RG纤毛中存在核糖体及翻译相关蛋白,并进一步阐明了两个神经发育疾病相关蛋白MARCKS和CKAP2L在纤毛中的新功能。
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在哺乳动物大脑皮层发育过程中, RG 作为主要的神经前体细胞,其顶端突出形成的初级纤毛暴露于脑室表面的脑脊液中,负责接收和整合多种信号(如 Hedgehog 通路)以调控前体细胞的增殖与分化。然而,由于纤毛体积小、蛋白丰度低且动态变化大,传统生化分离方法难以获得高保真度的纤毛蛋白组。此外, RG 在背侧(形成兴奋性神经元)和腹侧(产生抑制性中间神经元)存在显著异质性,其纤毛蛋白组成是否存在区域差异也尚不清楚。
核心发现:
构建体内纤毛邻近标记系统: 团队 利用 BLBP 启动子驱动纤毛定位的 TurboID 在 RG 纤毛中特异性表达,建立了 Cilium- TurboID 转基因小鼠。通过短时间生物素标记,成功富集了胚胎第 12.5 天( E12.5 )小鼠端脑背侧和腹侧 RG 纤毛蛋白。
定量蛋白组学鉴定:收集超过 800 个胚胎脑组织,经中性抗生物素蛋白( neutravidin )富集和 TMT 定量质谱分析,共鉴定出 258 个高置信度纤毛候选蛋白。 GO 分析显示这些蛋白参与细胞骨架组织、胞内运输、信号转导,以及令人意外的“蛋白质翻译调控”和“ RNA 结合”等过程。
RG 初级纤毛中存在翻译机器:免疫荧光和 RNA-FISH 实验证实,多个核糖体蛋白、翻译因子等均定位于 RG 纤毛内,提示初级纤毛可能具备局部蛋白质合成能力。这一现象在以往研究中未被报道,可能为纤毛快速响应外界信号提供新机制。
纤毛蛋白的脑区特异性分布:比较背侧与腹侧端脑,发现 67 种蛋白富集于背侧、 60 种富集于腹侧。研究证实 CKAP2L ( Filippi 综合征相关蛋白)主要定位于背侧 RG 纤毛,而 DHX57 ( RNA 解旋酶)则主要定位于腹侧 RG 纤毛,且该差异 不 源于总蛋白表达水平,提示存在脑区特异的纤毛靶向调控机制。
阐明神经发育疾病相关蛋白的纤毛功能:
MARCKS :该蛋白缺失导致小鼠神经管闭合失败和 RG 极性紊乱。研究发现 MARCKS 依赖其 N 端豆蔻酰化修饰定位于纤毛,而非 PKC 磷酸化位点。敲除 Marcks 显著降低纤毛形成率和纤毛长度,并导致纤毛内 CDC42 水平下降,表明 MARCKS 通过募集 CDC42 促进纤毛发生。
CKAP2L : CKAP2L 缺失突变主要与严重的遗传性疾病—— Filippi 综合征相关。 Ckap2l 敲除导致 Hedgehog 信号通路活性显著减弱。此外,小鼠 Ckap2l 缺失导致其背侧皮层神经前体细胞池缩小、神经元生成减少,并出现皮层变薄及小脑发育不全,类似病人 Filippi 综合征表型。
该研究提供了一个高质量的体内 RG 纤毛蛋白组资源(数据已上传 MassIVE : MSV000097579 )。首次揭示了初级纤毛可能具备局部蛋白合成能力,这一概念挑战了传统上认为纤毛蛋白完全依赖纤毛内转运( IFT )从胞体供应的观点。结合脑室区放射状胶质细胞细胞核周期性迁移、纤毛远离细胞核的特点,局部翻译或许能使纤毛快速响应脑脊液中的信号变化,独立完成特定蛋白的合成与更新。虽然仍需直接证据证明活跃翻译的发生,但该发现为理解纤毛信号调控的动态性打开了新方向。
此外,研究揭示了纤毛蛋白组成的脑区特异性:背侧和腹侧端脑的 RG 纤毛具有显著差异的蛋白谱。结合背侧 RG 主要产生兴奋性神经元、腹侧 RG 产生抑制性神经元的谱系差异,推测纤毛蛋白的差异组成可能赋予不同脑区 RG 对相同环境信号(如 Hedgehog 、 Wnt 等)产生迥异的应答,从而精细调控皮层区域化与神经元亚型分化。
在疾病机制方面,本研究揭示了两个神经发育疾病相关蛋白 MARCKS 和 CKAP2L 此前未知的纤毛功能。 MARCKS 依赖其豆蔻酰化修饰定位于纤毛,并调控纤毛发生,为理解 MARCKS 基因敲除小鼠所表现出的严重脑发育畸形提供了新的分子基础。针对 CKAP2L ,本研究首次从分子机制上解析了其突变导致 Filippi 综合征的致病基础,明确纤毛功能障碍是该疾病的关键环节,为靶向纤毛信号缺陷的治疗策略提供了理论依据。未来研究仍需进一步探索脑区特异性纤毛蛋白的靶向调控机制、纤毛局部翻译的生物学意义,以及更多新鉴定蛋白在皮层发育与纤毛病中的潜在功能。总之,本研究提供的高质量数据资源和概念性突破,将为纤毛信号在神经发育与疾病机制研究领域开辟新的方向。
本文的第一作者为 Xuecai Ge 课题组的刘晓亮博士,参与作者包括 Xuecai Ge 课题组成员, Oscar T. Gutierrez 博士、 Eva Cai 博士、 Gurleen Kaur 博士、 Yazan Al- Issa 博士、 Scripps 研究所 John R. Yates III 课题组成员。刘晓亮博士和 Xuecai Ge 博士为本文的共同通讯作者。
原文链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00433-X
制版人:十一
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