Science新发现填补了对原发性纤毛运动障碍的理解和诊断方面的空白

研究人员揭示了纤毛中一个鲜为人知的区域——过渡区的结构和组成。他们发现，两个基因的突变会破坏连接过渡区的连接蛋白，从而削弱纤毛清除呼吸道黏液的能力。这项研究增加了已知导致罕见疾病原发性纤毛运动障碍的基因数量，有助于解释和诊断约20%至30%病因不明的病例，并为治疗提供新的靶点。

　　

概览：

• 研究人员揭示了毛发状纤毛中一个鲜为人知的区域——过渡区的结构和组成。

• 研究表明，两个基因的突变会破坏连接过渡区的连接子，从而阻碍纤毛清除气道粘液的能力。

• 这项研究增加了已知可导致罕见疾病原发性纤毛运动障碍的基因数量，这有助于解释和诊断 20% 到 30% 的病例中没有已知遗传原因的部分，并指出新的治疗靶点。

身体许多部位的细胞上都有一种叫做运动纤毛的毛发状附属物，它们同步摆动，使液体和颗粒能够移动，例如清除肺部粘液以便将其咳出。

基因突变会损害纤毛的结构和功能，从而引发疾病。例如，已知超过50个基因的改变都会导致原发性纤毛运动障碍（PCD），这是一种罕见疾病，可损害呼吸道、内耳、心脏、生殖道和其他器官。目前，治疗方法只能延缓PCD的进展，而不能阻止或治愈该疾病，估计有20%至30%的病例仍无法通过基因途径解释。

由哈佛医学院和德国明斯特大学儿童医院的研究人员领导的一个团队，揭示了 纤毛中一个研究不足的部分——过渡区的详细结构和组成，表明该区域的异常可能在原发性纤毛运动障碍 (PCD) 中发挥作用，并暗示了两个与该疾病相关的新基因。

这项于9月10日发表在《科学》杂志上的研究成果，至少为部分原发性纤毛运动障碍（PCD）患者的病因提供了解释，这些患者的病因一直以来都是个遗传谜团，该研究有望提高医生诊断这种疾病的能力。此外，这项研究还为研究人员在开发治疗方法时提供了更多可靶向的基因和蛋白质。

从基础科学层面来看，这项研究加深了人们对纤毛如何工作的理解，并引起了科学家们对涉及运动纤毛的疾病过渡区的关注。

“这是将原位结构生物学与遗传学相结合，解决基本问题并阐明人类疾病原因的一个例子，”共同资深作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所生物化学和分子药理学教授艾伦·布朗说。

纤毛功能障碍的原因和后果

原发性纤毛运动障碍（PCD）患者通常难以清除肺部和鼻窦中的黏液以及内耳中的积液，这往往会导致反复感染、瘢痕形成和慢性呼吸系统疾病。纤毛功能障碍还会导致生育和妊娠问题。大约一半的PCD病例中，一个或多个器官会出现在错误的位置，或在胚胎发育过程中未能完全形成。

大多数人需要从父母双方各遗传一个致病基因才会患上原发性纤毛运动障碍（PCD）。这种疾病通常在儿童时期确诊。

布朗和共同资深作者、明斯特大学医院的海穆特·奥姆兰研究纤毛的正常运作机制以及功能障碍如何导致纤毛病。作为一名儿科医生，奥姆兰也接诊过患有这些疾病的患者。两位研究人员携手合作，探索他们能从中获得哪些发现。该研究由共同第一作者、布朗实验室生物化学和分子药理学研究员周海霞以及奥姆兰实验室的莉娅·特贝克领导。日内瓦大学和波士顿大学的合作者也参与了这项研究。

研究人员试图揭开位于纤毛基部的过渡区的秘密。该区域的突变与涉及非运动性纤毛的疾病有关，但在这项新研究之前，与原发性纤毛运动障碍 (PCD) 相关的突变涉及纤毛的不同部分。

周教授运用一种名为冷冻聚焦离子束断层扫描（cryo-FIB-ET）的尖端成像技术，研究了呼吸道内壁细胞培养物。结合人工智能工具，研究人员得以捕捉到过渡区亚纳米级的结构，并识别出九种蛋白质。

他们发现，这四种蛋白质形成复合物，将纤毛的主要成分——过渡区中被称为双联微管的长管状结构——连接在一起。随后，他们发现其中两种蛋白质（ECT2L 和 DZANK1）的基因突变会破坏这些连接复合物，从而导致程序性细胞死亡（PCD）。

研究团队发现，由突变引起的 ECT2L 和 DZANK1 减少会改变纤毛的形状（例如形成球状尖端），并阻碍其功能，使其无法同步摆动和清除粘液。

研究人员怀疑，这是因为过渡区充当了纤毛主体的入口，而ECT2L和DZANK1突变导致错误的蛋白质进入或被阻止进入。

得益于冷冻电镜技术的进步

冷冻电子断层扫描（cryo-ET）是一种冷冻电子显微镜（cryo-EM）。它使科学家能够快速冷冻超薄生物样本，并从多个角度拍摄高分辨率快照，这些快照可以重建为 3D 模型。

低温聚焦离子束铣削增强电子断层扫描技术 (Cryo-FIB-ET) 使用离子束将每个样品雕刻成 100 至 250 纳米厚的切片，以防原始样品不够薄，无法用显微镜观察。

这项工作是在哈佛医学院 (HMS) 的哈佛冷冻电镜结构生物学中心进行的，该中心于 2022 年获得了冷冻 FIB-ET 能力。