综述：衣藻作为纤毛和真核鞭毛研究的模型系统

本综述系统阐述了单细胞绿藻衣藻（Chlamydomonas）在纤毛研究领域的核心优势：其易于培养的特性、同步化纤毛再生（deciliation）技术体系、以及卓越的遗传操作（如基因敲除和突变体筛选）平台，为揭示纤毛发生（ciliogenesis）、动力蛋白（dynein）驱动的运动机制及IFT（ intraflagellar transport）功能提供了理想模型，研究成果显著推动了对人类纤毛病（ciliopathies）的认知。

　　

Chlamydomonas reinhardtii 实验室品系

衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一种单细胞真核绿藻，拥有两根等长的纤毛。它属于植物界（Plantae）绿藻门（Chlorophyta）绿藻纲（Chlorophyceae）团藻目（Volvocales）衣藻科（Chlamydomonadaceae）衣藻属（Chlamydomonas）。实验室常用的品系源自于1945年从美国马萨诸塞州分离的一个合子后代。该生物体具有两种交配型：正（mt⁺）和负（mt^-），它们在形态上无法区分，但决定了其有性生殖的能力。

细胞形态与解剖结构

典型的衣藻细胞呈椭圆或卵圆形，直径约5-10 μm。细胞外围是细胞壁，两根长约12 μm的纤毛从前端伸出，通过两个纤毛领突向外环境。一个杯状的叶绿体占据了大部分细胞质空间，并部分包裹着位于中央的细胞核。眼点（stigma）是一个由类胡萝卜素脂滴组成的结构，位于细胞前端，作为感光器。两个位于纤毛基部的收缩泡（contractile vacuoles）负责渗透调节。线粒体位于细胞质的非绿色区域。基体（basal bodies）是纤毛的锚定点，除了组织纤毛轴丝（axoneme）外，还参与组织细胞分裂过程。

衣藻纤毛及其结构

衣藻的两根纤毛长约12 μm，直径约250 nm，存在于营养细胞和配子中，但在分裂细胞和合子中缺失。由于命名习惯，它们常被称为“鞭毛”（flagella）。传统上，根据数量和长度区分纤毛和鞭毛：短而多的称为纤毛，长而少的称为鞭毛。然而，从超微结构和功能角度看，它们是同源器官，因此“纤毛”是更合适的术语。

衣藻纤毛的核心结构是轴丝，其呈现典型的“9+2”微管排列模式：九对外周双联微管（doublet microtubules）环绕着一对中央微管。轴丝上附着有多种功能复合物：放射辐条（radial spokes）、动力蛋白臂（dynein arms）和连接蛋白（nexin-dynein regulatory complex, N-DRC）。这些结构共同协调纤毛的搏动。轴丝被纤毛膜（ciliary membrane）包裹，其成分与细胞膜不同。纤毛通过过渡区（transition zone）与细胞本体相连，过渡区起到“门控”作用，控制蛋白质进出纤毛。纤毛内运输（IFT）机制，即IFT蛋白颗粒沿轴丝微管的运动，是纤毛组装和维持所必需的保守过程。

去纤毛化与纤毛分离

衣藻纤毛可通过一种称为“纤毛自主切离”（ciliary autonomy）的过程被 readily 切除，这使得分离纤毛用于生化结构研究以及研究纤毛再生以探索组装机制成为可能。实验室常用三种方法诱导去纤毛化：盐酸地布卡因（dibucaine）处理、pH休克和机械剪切。其中，pH休克法因其高效和同步性而被广泛使用。

纤毛组装或纤毛发生

衣藻在细胞分裂完成后立即形成纤毛，纤毛在子细胞从母细胞壁释放前已组装至全长的约三分之二。然而，这一从头合成过程的研究相对较少，部分原因是细胞分裂通常在光/暗循环的暗期进行，难以在标准白天实验操作中观察。因此，大多数研究集中于去纤毛化后的纤毛再生过程，该过程可在实验室轻松实现高度同步化。再生过程始于去纤毛化后约45分钟，纤毛开始重新生长，并在约90分钟内达到最大长度。再生的分子机制涉及IFT系统将纤毛构件从细胞体运输至正在生长的纤毛尖端。

纤毛运动与行为

衣藻纤毛以协调的蛙泳式动作搏动，两根纤毛同步工作推动细胞前进。典型的搏动频率在50至70 Hz之间，平均游动速度为50–200 μm/s。在突然暴露于强光时，细胞会迅速发生行为转换：从蛙泳式的前向游动转变为采用波动波形的向后游动。这一反应为研究光转导和纤毛搏动控制提供了一个易于操作的实验系统。纤毛搏动由轴丝动力蛋白（axonemal dynein）的活性驱动，这些马达蛋白利用ATP水解产生的能量使微管相互滑动。搏动的调节涉及钙离子（Ca²⁺）、环腺苷酸（cAMP）和蛋白磷酸化等多种信号分子。

研究纤毛的遗传学方法

衣藻在研究纤毛生物学遗传学方面具有多个优势。与小鼠中纤毛缺失导致胚胎致死不同，纤毛对于衣藻的存活并非必需。作为单倍体生物，单个基因拷贝的突变会立即产生可观察的表型效应，便于直接鉴定基因功能。此外，衣藻能够形成合子，合子经过减数分裂产生四个单倍体子代，这使得进行遗传杂交和连锁分析成为可能。常用的遗传方法包括插入突变、针对特定基因的CRISPR/Cas9介导的敲除、以及利用人工微小染色体（artificial minichromosomes）进行转基因互补测验。

支持衣藻纤毛研究的公共资源

多个公共资源极大地促进了利用衣藻作为模式生物的研究。其中最全面的参考是《衣藻资源手册》（Chlamydomonas Sourcebook），它是新老研究人员的宝贵指南。第一卷介绍了衣藻的生物学及其在实验室中的应用，第三卷则重点关注与衣藻相关的纤毛生物学的历史和最新进展。衣藻资源中心（Chlamydomonas Resource Center）为全球学术界提供多种野生型、突变体品系和质粒等生物材料。此外，Phytozome和Chlamy.org等在线基因组数据库提供了丰富的基因组、转录组和蛋白质组数据。