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纤毛功能障碍与多种疾病相关，其核心轴丝微管（MT）动力学机制不明。研究人员重组纤毛尖端模块（CTM）蛋白，发现它们共同作用可稳定 MT 正端、驱动缓慢延伸，这为理解纤毛相关疾病机制提供关键线索。
在微观的细胞世界里，纤毛就像一个个微小却至关重要的 “触角”，存在于许多真核细胞表面。它不仅能帮助细胞感知周围环境，有些还具备运动功能。然而，当纤毛出现功能障碍时，就会引发一系列被称为纤毛病（ciliopathies）的疾病，给人类健康带来严重影响。纤毛的核心结构是由轴丝微管（MT）构成，可对于轴丝微管的动态变化机制，科学家们却知之甚少。
为了揭开这一神秘面纱，来自荷兰乌得勒支大学（Utrecht University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Structural 》上，为我们理解纤毛的奥秘以及相关疾病的机制带来了新的曙光。
研究人员主要运用了体外重组实验、冷冻电镜断层扫描（cryo - ET）等关键技术。在体外重组实验中，他们通过构建相关蛋白的表达载体，在细胞中表达并纯化出 CTM 蛋白，用于后续实验。冷冻电镜断层扫描技术则帮助他们直观地观察 CTM 蛋白在微管末端的定位和作用。
研究结果如下：
- CTM 蛋白对 MT 动力学的不同影响：研究人员纯化出 CTM 蛋白，通过体外重组实验和全内反射荧光（TIRF）显微镜观察发现，ARMC9 不结合 MT；CCDC66 结合 MT 并降低其生长速率；CEP104 在 EB3 等帮助下特异性抑制 MT 正端生长；CSPP1 结合 MT 正负端，影响生长速率并诱导暂停；TOGARAM1 结合 MT 正端，降低生长速率并诱导恢复。
- CEP104 对 MT 正端阻断的特征：单分子计数实验显示 CEP104 形成二聚体，在 EB3 存在下，少量 CEP104 分子就能稳定阻断 MT 正端生长。其阻断作用依赖 TOG 结构域，且 EB3、CCDC66 和 CSPP1 能增强这种作用。
- TOGARAM1 诱导恢复的机制：单分子计数表明 TOGARAM1 是单体，其挽救活性依赖 TOG3 和 TOG4 结构域。突变影响这两个结构域会消除挽救活性，而 TOG1 和 TOG2 可缺失且不影响该活性。
- ARMC9 对其他蛋白的作用：ARMC9 形成多聚体，能与 TOGARAM1 和 CSPP1 结合，增强它们对 MT 动力学的影响。TOGARAM1 可招募 ARMC9 到 MT 上，ARMC9 增加 TOGARAM1 的挽救活性，也增强 CSPP1 诱导 MT 暂停的作用。
- CTM 蛋白组合对 MT 生长的影响：CEP104 和 TOGARAM1 相互作用，共同诱导 MT 缓慢聚合。当组合所有 CTM 成分时，MT 呈现缓慢且高度持续的正端聚合。TOGARAM1 是 MT 伸长所必需的，缺失它会导致 MT 正端暂停。
- CTM 蛋白在 MT 正端的结构特征：冷冻电镜断层扫描显示，CTM 蛋白在 MT 正端形成类似香槟软木塞的密度结构，减少原纤维张开，从管腔和尖端稳定 MT 的缓慢延伸。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功在体外重构了轴丝微管的缓慢生长行为，发现 CTM 蛋白通过相互协作，稳定 MT 正端并促进其缓慢生长。这种缓慢生长状态与单细胞生物再生鞭毛的初始伸长率相符，但与传统的微管动态生长模式不同，它不依赖于长的稳定 GTP 帽。CTM 蛋白之间通过非重叠结构域相互作用，形成灵活的网络，增强在纤毛远端的积累。此外，研究还发现 CTM 蛋白形成的软木塞样结构与中心粒帽蛋白 CP110 形成的 “塞子” 相似，提示这可能是产生稳定且缓慢生长微管的共同机制。
这项研究的意义重大，它不仅揭示了纤毛尖端蛋白互作网络调控微管生长的机制，为深入理解纤毛的生物学功能提供了理论基础，还为纤毛病的研究开辟了新的方向，有望为相关疾病的诊断和治疗提供潜在的靶点和思路。
