纤毛发生的机理及其功能研究

Cilium is a hair-like organelle mainly composed of basal body and axoneme. It is highly conserved in animal evolution and capable of important functions. The basal body is a specialized centriole, from which multiple bundles of microtubules grow to form the antennae-like axoneme. During the genesis of multicilia, centrioles are markedly amplified and certain mechanisms are also required to assure the coordinated movement among different cilia. Cilia can be either motile or immotile. Motile cilia propel cell movement or luminal liquid flow, whereas immotile, or primary, cilium serves as a sensory organ and mediates multiple signaling pathways. Dysfunctions of cilia have been found to cause a wide variety of genetic disorders collectively named “ciliophathy”. We have analyzed gene expression profiles at different stages of ciliogenesis by using cultured primary mouse airway epithelial cells (MTEC) and gene chip assays and performed a functional screen using zebrafish embryos and microinjection of morpholino oligos. A series of important new genes involved in distinct aspects of ciliogenesis have thus been identified. In this proposal, we will use tools such as the cutting-edge super-resolution light microscopy and model systems of cells, tissues, and animals to continue our explorations on mechanisms of ciliogenesis, with particular focuses on centriole amplification, basal body polarization, and axonemal growth. Our aim is to understand how our identified genes participate in multicilia formation, cilia functions, and possibly ciliopathy.

纤毛是一种毛状细胞器，主要由基体和轴丝构成，在动物进化上保守而且功能重要。纤毛的基体是一个特化的中心粒，其上形成的数对微管由细胞膜包被形成天线状的轴丝。其中，多纤毛的发生还需要中心粒的大量扩增及保证细胞内纤毛的协调运动。纤毛可分为动纤毛和初级纤毛。动纤毛能驱动细胞或胞外液体的运动，而初级纤毛则是感觉器官，介导hedgehog等信号转导通路。纤毛功能的异常可导致一类被称为“纤毛病”的遗传疾病。我们在前期研究中，通过对处于多纤毛发生不同阶段的小鼠气管原代上皮细胞（MTEC）的基因表达谱分析和在斑马鱼胚胎中进行的纤毛相关基因筛选等发现了一系列重要的新的功能基因。本项目拟聚焦中心粒扩增、基体极性形成、轴丝生长等多纤毛发生中的重要科学问题，利用超高分辨率荧光显微术等手段以及细胞、组织、斑马鱼和基因敲除小鼠等模型深入探索并阐述纤毛发生及其行使功能的新机理，发现新的纤毛病病征及相关基因。

纤毛是由特化的中心粒（基体）和微管与其结合蛋白形成的轴丝构成的毛状细胞器，其中动纤毛驱动细胞运动或胞外液流动，而初级纤毛则是多种信号的感觉器官。纤毛在动物进化上保守且重要，其结构、功能异常会导致一类被称为“纤毛病”的遗传疾病。多纤毛的发生与运动需要中心粒的大量扩增和轴丝精准的结构形成，其调节机理是领域的难点，也是本项目的主要研究内容。. 我们发现并证明Deup1为多纤毛细胞中心粒扩增所需的摇篮体（deuterosome）的核心组分，且是母中心粒上参与中心粒复制的Cep63的旁系同源物；揭示摇篮体的本质是Deup1诱导出的不依赖于母中心粒的中心粒发生平台；展示了中心粒扩增、释放、成熟为基体并极化分布到细胞顶面的各阶段及其特征；发现Deup1源于陆生四脚动物的祖先肉鳍鱼，提出更低级的后生动物另有中心粒扩增途径。研究结果作为Nat Cell Biol封面论文发表，并获得该杂志和Science、F1000的介绍。我们的发现澄清了困扰本领域数十年的谜团，推动了领域的进展。随后，我们还证伪了国际同行在Nature报道的摇篮体发生和功能“完全依赖于子中心粒”的模型（EMBO Rep），实验结果也得到同行preprints的支持。. 我们在纤毛结构形成、功能及与疾病关系方面也做出多项发现：（1）Spef1结合并稳定纤毛中央微管（J Mol Cell Biol）；（2）与衣藻不同，哺乳动物Dynein-f对纤毛运动是关键的且在轴丝上的组装依赖于Wdr78（J Mol Cell Biol）；（3）Rsph9是辐射轴头部组装和中央微管稳定的重要蛋白（Biol Cell）；（4）抑制纤毛发生的abLIM1是细胞皮层结构蛋白，负责组织皮层微丝网络以拮抗机械张力，保证细胞正常生命活动（Cell Discov）；（5）筛选出多个含TTC结构域的纤毛发生与运动相关的功能蛋白质（PLoS One）。此外，还有多篇研究论文在撰写中，一些发现可望为后续研究提供新的切入点。. 本项目开始前我们刚涉足纤毛领域，研究系统、方法、技术手段和试剂材料等均缺乏。目前我们已建立较为完善的研究和技术体系，积累了一批研究结果，还培养了多名博士后、博士和硕士。