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只占细胞体积的万分之一,却能导致严重疾病!《细胞》子刊研究揭秘关键原因

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大脑的发育是一个极其精密的过程。在胚胎时期,放射状胶质细胞(RG)扮演着“神经干细胞”的关键角色。它们不仅分裂产生新的神经干细胞,还能分化产生大脑中绝大部分的神经元。这些细胞顶端伸出一根细小的突起,伸入充满脑脊液的脑室腔中,这根突起被称为初级纤毛。

虽然体积微小,但初级纤毛是细胞接收外界信号的“天线”,对于调控 RG 细胞的增殖和分化至关重要。如果这根初级纤毛出现问题,会导致小头畸形、脑结构异常等被称为“纤毛病”的严重发育疾病。

尽管初级纤毛如此重要,但由于它只占细胞总体积的万分之一,且结构动态变化,传统方法很难精确地分析其内部的蛋白质组成。近日,发表在Cell Reports上的一项研究首次系统地描绘了胚胎大脑中 RG 细胞初级纤毛的蛋白表达状态,揭示了令人意想不到的新机制。


研究中,作者构建了一种特殊的小鼠模型,它们RG细胞的纤毛内特异性地表达一种生物素连接酶 TurboID。这种酶能将添加在培养液里的生物素共价连接到附近的蛋白上。随后,他们利用能够强力结合生物素的磁珠,将这些“被标记”的蛋白富集出来,并通过高精度质谱仪进行鉴定。

借助这一方式,研究团队鉴定了200多种的纤毛候选蛋白。出乎意料的是,其中有高达26%的蛋白属于核糖体组分或翻译因子。传统观点认为,纤毛所需的蛋白质都是在细胞体合成后,通过转运系统输送进去的。但新研究打破了该认知,初级纤毛可能具备局部合成蛋白质的能力,或能让纤毛更快速、独立地响应外界信号变化,而不必完全依赖远在细胞体的补给。


▲研究示意图(图片来源:参考资料[1])

此外,研究数据还为神经发育疾病的病因提供了重要线索。研究团队重点分析了两个与疾病相关蛋白MARCKS与CKAP2L。其中,MARCKS的缺失会导致RG细胞长出纤毛的能力大幅下降,即使长出来,纤毛也比正常的更短。而小鼠会因此出现严重的神经管闭合不全和脑结构异常。

对CKAP2L来说,过去已经知道它的突变会导致一种罕见的遗传病——Filippi 综合征,具体表现为小头畸形、智力障碍等。而新研究则首次表明它可以在RG细胞纤毛中进行表达。当纤毛中缺乏CKAP2L时,Hedgehog 信号通路的活性显著下降,该通路对神经前体细胞增殖至关重要。因此小鼠会表现出大脑皮层的神经前体细胞减少,神经元数量也相应变少,导致大脑尺寸缩小。

除此之外,研究还发现大脑中不同脑区的纤毛也各不相同,有40多种蛋白在存在着区域性表达差异,这提示纤毛具有专门化的功能,而非在大脑所有部位保持相同的作用。

研究者指出,了解纤毛中含有哪些蛋白以及它们的功能,有助于将特定突变与疾病发生过程联系起来。未来的研究可以在此基础上,深入探索更多纤毛内部蛋白的功能,为理解、治疗由纤毛功能障碍引起的相关疾病提供理论基础。

参考资料:

[1] Xiaoliang Liu et al, Proximity labeling proteomics maps radial glial ciliary proteins across the developing telencephalon, Cell Reports (2026). DOI: 10.1016/j.celrep.2026.117355

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