我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新型生物結(jié)構(gòu)“納米毛”

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生物大分子在動(dòng)物體內(nèi)原位結(jié)構(gòu)的研究是生物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿，其技術(shù)管線包括：高壓冷凍動(dòng)物樣品（High-pressure freezing）、冷凍聚焦離子束掃描電鏡（Cryo-FIB-SEM）對(duì)動(dòng)物樣品進(jìn)行低溫離子切削獲得厚度小于200納米的冷凍薄片、300KV冷凍透射電鏡(TEM)對(duì)薄片進(jìn)行電子斷層成像（Cryo-ET）的數(shù)據(jù)收集。

2022年6月7日，清華大學(xué)生命學(xué)院歐光朔和清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心李雪明課題組在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proc Natl Acad Sci U S A）雜志上在線發(fā)表了題為“腸道頂端表面原位結(jié)構(gòu)揭示了微絨毛上存在納米毛”（In situ structure of intestinal apical surface reveals nanobristles on microvilli）的論文。該論文運(yùn)用上述技術(shù)管線發(fā)現(xiàn)了微絨毛表面存在新型生物結(jié)構(gòu)的納米毛，綜合運(yùn)用單細(xì)胞測(cè)序、基因組編輯和超分辨光學(xué)活體熒光成像等方法鑒定到形成納米毛的關(guān)鍵基因，揭示了納米毛調(diào)控微絨毛結(jié)構(gòu)均一性的可能機(jī)理。

腸道上皮細(xì)胞微絨毛是基于微絲束組裝形成的細(xì)胞膜表面突起，在物質(zhì)吸收、分泌和抵御外源病原菌侵染等生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。該文章發(fā)現(xiàn)線蟲(chóng)腸道微絨毛的外側(cè)以輻射狀的方式分布著大量的棒狀結(jié)構(gòu) （圖1）。進(jìn)一步用顆粒平均的方法（Subtomogram averaging）計(jì)算出該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)37.5納米、直徑4.5納米，并有跨膜結(jié)構(gòu)域。該工作鑒定出納米毛的形成需要原鈣粘附蛋白家族中的CDH-8蛋白，發(fā)現(xiàn)納米毛的缺失會(huì)使得線蟲(chóng)生長(zhǎng)速度變緩，并異常的產(chǎn)生Y型微絨毛，暗示微絨毛可能通過(guò)從頂端分裂的模式進(jìn)行擴(kuò)增，從而確保了微絨毛長(zhǎng)度和形狀的高度均一性。超分辨活體熒光時(shí)序成像拍攝到微絨毛在線蟲(chóng)體內(nèi)可能的分裂過(guò)程，為微絨毛分裂模型提供了一定的直接證據(jù)。該研究還發(fā)現(xiàn)小鼠腸道微絨毛上存在類似的納米毛結(jié)構(gòu)，提示該生物結(jié)構(gòu)的保守性。

我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新型生物結(jié)構(gòu)“納米毛”-肽度TIMEDOO

圖 1. 對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)腸道刷狀邊緣進(jìn)行原位冷凍電子斷層成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微絨毛側(cè)表面有納米毛

論文的通訊作者是清華大學(xué)生命學(xué)院歐光朔教授和清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心李雪明副教授，生命學(xué)院2017級(jí)在讀博士生朱昊、已畢業(yè)的2015級(jí)博士生李美靜和2016級(jí)博士生趙瑞雪是該文章的共同第一作者。本研究工作得到了清華大學(xué)王宏偉教授、俞立教授，香港科技大學(xué)的張明杰教授，北京生命科學(xué)研究所的何萬(wàn)中教授的建議指導(dǎo)，以及清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)雷建林研究員、李曉敏高級(jí)工程師、李英博士的技術(shù)支持。