Cell子刊：纖毛擺動異常怎么辦？中科院馮巍/朱學良/任錦啟研究揭示Spef1蛋白“液態凝聚”是關鍵

在哺乳動物體內，動纖毛如同精密的信號天線，其規律性擺動驅動著腦脊液流動或細胞遷移。這一功能的實現依賴于軸絲內部獨特的“9+2”微管結構——九組外周二聯微管環繞著一對中央微管。與源自基體的外周微管不同，中央微管是非中心體依賴的微管結構，其組裝機制一直是纖毛生物學領域的未解之謎。作為中央微管的核心調控因子，Spef1蛋白（又稱CLAMP）已被證實對中央微管形成至關重要，但其具體分子機制長期懸而未決。

近日，中國科學院生物物理研究所馮巍團隊、上海生化與細胞所朱學良團隊及生物物理所任錦啟團隊合作在《Structure》期刊發表了題為“Coiled-coil-mediated phase separation of Spef1 for central-pair microtubule organization and function”的研究論文。這項國際合作研究首次揭示了Spef1蛋白通過其卷曲螺旋結構域發生液-液相分離，從而富集微管蛋白并促進中央微管組裝的分子機制。

研究團隊首先通過體外實驗發現，Spef1蛋白在生理鹽濃度下能夠自發形成液滴狀凝聚體。這些凝聚體表現出典型的液相特征：可發生融合、內部熒光漂白后快速恢復，且隨著時間推移逐漸向凝膠態轉變。進一步分析顯示，Spef1在細胞內的濃度約為3.3-3.7微摩爾，足以驅動其發生相分離形成動態的胞質凝聚體。

在功能驗證中，研究人員將Spef1凝聚體與熒光標記的微管蛋白共孵育。結果顯示，這些凝聚體能夠高效富集微管蛋白，且在添加GTP后，凝聚體內部開始放射狀生長出微管束，最終形成復雜的微管網絡。電鏡觀察進一步證實，這些微管束確實從Spef1凝聚體表面向外延伸。

通過結構域截斷實驗，研究團隊定位到Spef1的C端卷曲螺旋結構域是驅動相分離的關鍵區域。單獨表達該結構域即可形成核內凝聚體，而缺失該區域則完全喪失相分離能力。晶體結構解析顯示，Spef1-CC形成平行二聚體，其表面呈現獨特的電荷分布模式，這與普通二聚化結構域存在本質區別。

基于結構信息設計的點突變實驗證實，破壞二聚化（L208A/L212A突變）或改變表面電荷分布（5RQ突變）均嚴重削弱Spef1的相分離能力。在微管蛋白共組裝實驗中，這兩個突變體均無法形成微管星體結構，表明其喪失了組織微管網絡的功能。

在小鼠室管膜細胞模型中，回補野生型Spef1可完全拯救由Spef1缺失導致的纖毛擺動異常。而5RQ突變體雖然能部分恢復中央微管形成，但其形成的蛋白凝聚體偏離中央軸心，導致大部分纖毛仍表現為病理性旋轉擺動。二聚化缺陷的LL突變體則完全無法定位到纖毛，更無法恢復中央微管結構。

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