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细胞内测量长度的蛋白质

細胞內測量長度的蛋白質

编译来源:细胞内で长さを测るタンパク质を発见、A molecular ruler determines the repeat length in eukaryotic cilia and flagella

你是否能测量奈米大小的长度呢?奈米是毫米的百万分之一,比头髮尖端更微细,无法徒手测量。在人类细胞内,具有无数固定长度或大小的构造,细胞合成这些构造时,究竟是如何测量它们的长度呢? 有研究者提出「奈米分子尺规」假说,认为存在固定长度的蛋白质作为奈米分子尺规(简称奈米尺),来调控这些构造的长度。虽过去研究指出较为原始的原核生物如细菌或病毒等具有奈米尺,但仍不知高等生物如人类是否也有奈米尺。

日本东京大学医学研究所的研究团队,使用超低温电子显微镜(cryo-electron tomography)首次证实高等生物也有奈米尺,分布于人体气管、精子、输卵管、及脑室细胞的丝状结构「纤毛(cilla)」或「鞭毛(flagella)」中以维持机能运作,研究结果2014年11月刊载于科学期刊「Science」。

细胞内测量长度的蛋白质

(图片编译来源:东京大学研究报导http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/a-molecular-ruler-in-eukaryotic-cells/)

纤毛与鞭毛的结构几乎相同,其长度数微米至数十微米,粗细200奈米左右,是一种非常微细的细胞突出丝状构造,能藉形成水波引发液体流动。例如:精子摆动尾部的鞭毛以向前移动;纤毛摆动可排出进入气管内的异物、协助卵子在输卵管内前进、引发大脑内脑脊髓液的流动等。纤毛运动是由动力蛋白dynein驱动,dynein以96奈米为单位,以相同重複结构整齐排列。该研究团队发现,告知细胞96奈米长度的物质是FAP59及FAP172蛋白複合体-奈米尺。

Kartagener病患的纤毛无法正常摆动。已知FAP59及FAP172蛋白複合体变异缺少,是Kartagener病癥(Kartagener’s syndrome)的主要致病原因,但不知为何缺少此蛋白複合体,纤毛摆动就出现异常。为解开其机制,研究团队使用超低温电子显微镜,观察该蛋白複合体缺损的纤毛构造,发现上述96奈米为单位,相同的重複结构完全消失。故认为FAP59及FAP172蛋白複合体,可能作为96奈米尺,维持机能运作。

若FAP59及FAP172蛋白複合体真的作为奈米尺,当它的长度改变,细胞内的结构也应会产生变化。果然,藉由基因操控,将FAP59及FAP172蛋白複合体长度变长,成功製造出自然界不存在、120或128奈米为单位的重複结构。也发现它不仅扮演奈米尺的角色,也决定动力蛋白dynein的排列顺序。通常,96奈米的重複结构, A至G共7种动力蛋白dynein,以A-B-C-E-G-D-F的顺序排列,但若操控奈米尺基因,则能製造出A-B-C-E-C-E-G-D-F或A-A-B-C-E-G-D-F-F的人工蛋白质序列。利用奈米尺特性,有希望能任意配置动力蛋白的排列顺序,製造出人工的奈米机器。

纤毛运动不全所造成的Kartagener病癥,是相当严重的疾病。若纤毛无法摆动,气管无法排出异物而易导致肺炎;精子无法运动会导致不孕;脑脊髓液滞留在脑室会导致脑水肿(hydrocephalus);或心脏与肝脏的位置相反,造成内脏异位,导致畸型。该研究发现这些Kartagener病癥,都是因纤毛的奈米尺缺损导致dynein蛋白质机能异常。


名词解释

1.动力蛋白 : motor protein,细胞中本身可以运动的蛋白质。例如使纤毛摆动的dynein,脑或神经中调控物质搬运的kinesin,使肌肉运动的myosin。

2.超低温电子显微镜 : 将细胞或生物体内分子瞬间冻结,使用高解析电子显微镜直接观察的方法。

3.内脏异位 : 小鼠内脏的左右位置,受到胚胎发育初期的原结(primitive knot)活动所决定。后来透过电子显微镜及高速视讯显微镜观察数种脊椎动物胚胎,发现原结週边的纤毛,高速旋转所产生水流,会决定内脏的左右位置。Kartagener病患因纤毛异常,易产生内脏异位,导致畸型。

延伸阅读 

1.卡塔格氏症候群(Kartagener syndrome)之影像-病例报告 http://w3.tyh.com.tw/Radiology/teach/paper1.html

2.纤毛 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BA%96%E6%AF%9B


参考资料

Yasushi Okada, Sen Takeda, Yosuke Tanaka, Juan-Carlos Izpisúa Belmonte and Nobutaka Hirokawa,

“Mechanism of Nodal Flow: A Conserved Symmetry Breaking Event in Left-Right Axis

Determination”, Cell 121, 633-644 (2005).

http://www.cell.com/abstract/S0092-8674%2805%2900349-1

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