清華新聞網(wǎng)6月21日電 6月16日，《自然》子刊《自然·通訊》（Nature Communications）長文發(fā)表了清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授課題組與德國科隆大學(xué)分子醫(yī)學(xué)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(chǔ)》（Molecular basis for CPAP-tubulin interaction in controlling centriolar and ciliary length），揭示了細(xì)胞中心粒/纖毛長度控制新機(jī)制。
中心粒是動物細(xì)胞內(nèi)一類重要的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，由多種中心粒蛋白和微管組成，是構(gòu)建細(xì)胞中心體及纖毛的基礎(chǔ)。其中，中心體參與細(xì)胞有絲分裂紡錘體構(gòu)建，與染色體等量精確分離密切相關(guān)。纖毛是細(xì)胞G0期的重要標(biāo)志細(xì)胞器，可以調(diào)控細(xì)胞干性維持及分化和非對稱分裂等多種細(xì)胞生命活動。中心粒的數(shù)目和結(jié)構(gòu)異常會導(dǎo)致癌癥或其他疾病（如多囊腎）的發(fā)生。有證據(jù)表明，中心粒蛋白的缺失和突變可誘發(fā)先天小腦畸形或巴德-畢德氏癥候群等神經(jīng)系統(tǒng)遺傳病。雖然人們已經(jīng)通過多種手段探明了中心粒的基本構(gòu)造，但是關(guān)于中心粒的組裝及長度控制機(jī)制等，至今仍然缺乏深入研究。
圖一 中心粒蛋白CPAP的PN2-3結(jié)構(gòu)域與微管素二體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)及其突變體對纖毛長度的影響。
CPAP是參與中心粒復(fù)制和組裝的關(guān)鍵因子之一，在中心粒微管生長和中心體成熟等過程中發(fā)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(jié)構(gòu)域，其中，位于氨基端的PN2-3結(jié)構(gòu)域可以從細(xì)胞質(zhì)中捕獲并結(jié)合微管素二體，PN2-3和微管素的結(jié)合常數(shù)高達(dá)26納摩爾。李海濤課題組通過結(jié)構(gòu)解析及交聯(lián)質(zhì)譜等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，PN2-3結(jié)構(gòu)域能夠以一種類似“項鏈”的方式盤繞結(jié)合在微管素二體上，其中羧基端片段形成“l(fā)oop-helix”結(jié)構(gòu)，結(jié)合到β-微管素外表面，而其氨基端片段結(jié)合在β-微管素內(nèi)表面（參見圖一）。
本研究發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，PN2-3和微管素之間特殊結(jié)合模式為中心粒微管的組裝和可控生長提供了分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。一方面，PN2-3的強(qiáng)微管素結(jié)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(jìn)而實現(xiàn)微管的定向生長。這樣CPAP蛋白就像建筑工人一樣，主動調(diào)控著中心?；蛘呃w毛微管的聚合與組裝。本研究鑒定出兩類PN2-3點突變：因為導(dǎo)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(yán)謹(jǐn)控制（EE343RR），從而表現(xiàn)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(diào)控中心粒/纖毛微管長度的機(jī)制示意圖。
CPAP是導(dǎo)致先天性小腦畸形（Microcephaly）的關(guān)鍵因子之一，發(fā)生在其羧基端TCP結(jié)構(gòu)域的E1235V突變被證明與遺傳性先天小腦畸形的發(fā)生密切相關(guān)。李海濤課題組曾于2014年在《美國科學(xué)院院報》(PNAS)發(fā)表論文報道了果蠅CPAP蛋白TCP結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)，并于2015年榮獲“人類前沿科學(xué)計劃” （HFSP）“青年科學(xué)家獎”的國際資助。本項工作是對中心體蛋白CPAP在中心粒/纖毛復(fù)制和組裝中發(fā)揮重要功能的新進(jìn)展。
本工作由清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤課題組和德國科隆大學(xué)分子醫(yī)學(xué)中心Jay Gopalakrishnan博士課題組聯(lián)合完成。李海濤教授課題組CLS博士后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(lián)質(zhì)譜實驗與生命科學(xué)院鄧海騰教授和馮衫博士合作完成，TIRF-微管動力學(xué)分析得到了生命科學(xué)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(dǎo)和大力協(xié)助。衍射數(shù)據(jù)收集在上海同步輻射光源設(shè)施完成。本項目得到人類前沿科學(xué)計劃（HFSP）、國家自然科學(xué)基金項目、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心和生物治療協(xié)同創(chuàng)新中心等支持資助。