Cell | 从冷冻电镜到发现新致病基因

纤毛（cilia），又称为鞭毛（flagella），是突起于真核细胞表面的一类重要细胞器，普遍存在于高等生物几乎所有细胞中，在细胞运动，胚胎发育，信号转导等过程中发挥重要作用。部分纤毛能通过水解ATP提供的能量自主运动，称为运动纤毛（motile cilia）。运动纤毛骨架的微管为“9+2”分布，包括周围九根双联微管（doublet microtubule）和中间两根单微管（singlet microtubule）。双联微管内部腔内有几十种蛋白质附着，外部周期性分布有轴丝动力蛋白（axonemal dynein）等复合物，共同维持微管的稳定，介导纤毛的运动。运动纤毛通过规律性的摆动，为细胞运动提供动力，如精子的游动；或者推动细胞表面液体流动，如气管上皮细胞通过纤毛摆动清除粘液和病原体。

运动纤毛的生长和运动由几百种蛋白质精密协作来完成，相关的基因突变可引起原发性纤毛运动障碍症（primary ciliary dyskinesia, PCD）。PCD主要表现为先天性呼吸道纤毛粘液清除障碍和慢性呼吸道感染，并常伴随内脏异位和先天性心脏病（胚胎纤毛运动异常），男性不育（精子鞭毛运动异常），先天性脑积水（脑室纤毛运动异常）等。此类遗传病尚无诊断“金标准”，也缺乏有效的治疗手段。基因测序技术筛选已知致病基因的突变是辅助该疾病诊断的重要手段，但仍有近三分之一PCD病例的致病基因未被发现，因此鉴定新的PCD致病基因尤为重要【1】。

2021年10月28日，哈佛医学院Alan Brown 实验室联合新加坡国立大学的Sudipto Roy和英国MRC Harwell研究所的Dominic P. Norris实验室（共同一作为桂淼和Hannah Farley, Priyanka Anujan, Jacob R. Anderson）在Cell杂志上发表了题为De novo identification of mammalian ciliary motility proteins using cryo-EM的论文。文章首次从牛气管组织中纯化出运动纤毛双联微管复合物，解析了近原子分辨率的冷冻电镜结构，结合多种不同建模手段，成功鉴定出36种蛋白质并构建了原子模型，进一步通过基因敲除动物实验阐明了两种新鉴定的蛋白Pierce1/Pierce2缺陷导致疾病的分子机理。

在之前的研究中，Alan Brown 实验室联合圣路易斯华盛顿大学张锐实验室合作解析了单细胞生物莱茵衣藻的双联微管原子模型【2】。通过比较哺乳动物和衣藻的结构，作者发现其中22种微管腔内蛋白在不同物种中高度保守，但哺乳动物双联微管结构的显著特点在于：1）A微管内存在一种高度稳定的纤维（tektin bundle）；2）微管外部轴丝动力蛋白锚定复合物（outer dynein arm-docking complex）由五种蛋白组成而衣藻是三种蛋白；3）两种蛋白Pierce1/Pierce2能穿透微管壁并连接微管内外的复合物。通过结构分析，作者发现Pierce1/Pierce2起到稳定外部轴丝动力蛋白的作用，推测两种蛋白的缺失会导致轴丝动力蛋白的丢失，进而引起纤毛运动障碍。在此基础上，作者构建了这两种基因敲除的斑马鱼和小鼠模型，并发现基因敲除动物存在内脏异位，纤毛运动障碍，轴丝动力蛋白丢失等表型，其中双基因敲除小鼠会导致胚胎早期死亡。基因敲除导致的类似PCD症状表明Pierce1/Pierce2是潜在的致病基因。

本文对冷冻电镜技术的未来发展以及对遗传疾病的诊疗都有一定的启发意义。

随着AlphaFold2时代的到来，不乏有人认为结构生物学或者冷冻电镜的发展将面临“末日”。诚然，AlphaFold2确实能相对准确地预测单个蛋白或者一些复合物的三维结构，但面对本文这种数百兆道尔顿分子量的、几十种不同蛋白组成的超大复合物结构，还远远无法准确预测。更重要的是，这些复合物直接来源于天然动物组织，在建模之前尚不清楚其蛋白组分，更无法预测其结构。因此这种超大的天然复合物是AlphaFold2的“软肋”，却正是冷冻电镜擅长的领域。事实上，AlphaFold2等结构预测方法的进步能提高超大复合物原子模型构建的效率，而不是取代。此外，蛋白质在细胞内发挥功能时往往会有多种不同构象，结合不同蛋白或者有各种修饰，这些动态结构信息都需要通过冷冻电镜等实验手段来解析。

遗传疾病的诊疗方面，以本文涉及到的原发性纤毛运动障碍症PCD为例，它是一种涉及到呼吸道，多种内脏器官和生殖系统等方面的复杂遗传性疾病，传统诊断方法过程繁琐且准确性一般，因而建立该疾病的致病基因库并采用基因测序进行辅助性诊断越来越重要。过去，PCD致病基因的发现主要是基于正向遗传学，即对临床确诊病例进行基因测序，如“大海捞针”般鉴别致病突变，迄今为止，这种方法在过去几十年间共鉴定出约50种PCD致病基因，但其存在“低通量”这一显著问题。而本文通过结构生物学分析，一次性鉴定出几十种运动纤毛骨架蛋白质，并且大部分蛋白质没有详细的功能研究，都可能成为PCD等遗传病的候选基因。如本文一样，通过反向遗传学的方法有目标地建立基因敲除动物模型，研究这些蛋白的功能，能快速丰富PCD遗传病相关基因的数据库，为将来的疾病诊断和基因治疗提供指导。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.007