CPM1在动纤毛中央微管形成中的功能及作用机理的研究

Motile cilia are hair-like microtubule-based structures, which major function is generating fluid flow by its beating, promoting cell movement and clearing dirt out of trachea. The unique structures of motile cilia including central pair microtubules, radial spokes and dynein arms are critical in ciliary motility. Structural or functional defects of motile cilia result in primary ciliary dyskinesia. More is known about the structure and function of radial spoke and dynein arms than that of central pair and little is known about how the central pair is assembled in mammals. In our previous work, we uncovered a key regulator in assembly of central pair microtubules, which we named CPM1 (central pair microtubules protein 1). In order to understand how CPM1 functions in assembly of central pair microtubules, we will use in vitro cultured ependymal cells and CPM1 knockout mice as research models. In this study, we aim to elaborate the mechanism of assembly of central pair microtubules in mammals.

运动纤毛是一种十分保守的富含微管的毛发状结构，其主要功能是通过摆动产生液体流、推动细胞运动和排除异物等。运动纤毛的特有结构中央微管、辐射轴和动力蛋白臂对于其运动性至关重要，其结构及其功能的异常会导致原发性纤毛运动障碍的发生。目前，对于辐射轴和动力蛋白臂的研究较多，而哺乳动物中央微管是如何组装的并不清楚。申请人在前期的研究工作中发现一个运动纤毛中央微管组装/稳定的重要调控因子，并将其命名为CPM1。本项目将在前期工作的基础上，以体外培养的室管膜细胞以及CPM1基因敲除小鼠为实验模型，深入研究CPM1在中央微管组装过程中发挥作用的分子机制，期望为哺乳动物运动纤毛中央微管的组装机制提供重要的新知识。

纤毛是一种十分保守的以微管为基础的毛发状细胞器。在人体中，动纤毛主要存在于大脑室管膜，呼吸道，输卵管等上皮细胞的表面，它们的功能是通过摆动产生一定方向的液体流来促进脑脊液的循环，呼吸道粘液的及时清除以及卵子的运输。动纤毛的异常会导致原发性纤毛运动障碍(PCD)，这种疾病的症状包括呼吸障碍，不育，脑积水以及内脏倒位等。中央微管位于9+2型纤毛轴丝的中部，它在纤毛运动的调节中扮演着核心角色，然而人们对于其发生机制至今却依然知之甚少。在本研究中，我们鉴定出了CPM1, Spef1, Rsph9以及Camsap这几个在进化上保守的蛋白，它们对中央微管的形成起着关键的调节作用。.本研究在前期工作积累的基础上，利用小鼠室管膜上皮细胞和小鼠气管上皮细胞两个多纤毛体外分化系统，借助免疫沉淀、质谱分析、3D-SIM以及电镜等技术，探索高等动物中央微管发生的分子机制。我们发现微管bundling蛋白Spef1对于中央微管结构的形成是必需的。Spef1的N端的CH结构域负责结合微管，C端的CC结构域则通过介导其自身形成二聚体来bundle并稳定微管。Spef1结合微管的能力和bundle微管的能力对于中央微管的形成都是必需的。我们还发现辐射轴头部蛋白Rsph9对于中央微管结构的形成发挥了重要作用。Rsph9的缺失会导致中央微管的缺失以及附属物蛋白量的下降。更有意思的是，我们发现CPM1缺失的小鼠的室管膜上皮细胞以及呼吸道上皮细胞的动纤毛都是全部缺失中央微管结构的。由于中央微管的缺失，纤毛运动方式由摆动变为转动，由此无法产生有方向性的液体流并最终导致CPM1缺失的小鼠出现脑积水的PCD症状。CPM1可能通过与微管负端结合蛋白Camsap的相互作用来稳定中央微管的负端进而促进中央微管的形成。。.因此，我们的工作第一次在后生动物中阐述了中央微管形成的关键调节机制，同时也为PCD的治疗提供了潜在的靶点蛋白。部分结果已发表在Journal of Molecular Cell Biology以及Biology of the Cell杂志上。