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細(xì)胞內(nèi)測量長度的蛋白質(zhì)

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細(xì)胞內(nèi)測量長度的蛋白質(zhì)
你是否能測量奈米大小的長度呢?奈米是毫米的百萬分之一,比頭發(fā)尖端更微細(xì),無法徒手測量。在人類細(xì)胞內(nèi),具有無數(shù)固定長度或大小的構(gòu)造,細(xì)胞合成這些構(gòu)造時,究竟是如何測量它們的長度呢? 有研究者提出奈米分子尺規(guī)假說,認(rèn)為存在固定長度的蛋白質(zhì)作為奈米分子尺規(guī)(簡稱奈米尺),來調(diào)控這些構(gòu)造的長度。雖過去研究指出較為原始的原核生物如細(xì)菌或病毒等具有奈米尺,但仍不知高等生物如人類是否也有奈米尺。
日本東京大學(xué)醫(yī)學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì),使用超低溫電子顯微鏡首次證實(shí)高等生物也有奈米尺,分布于人體氣管、精子、輸卵管、及腦室細(xì)胞的絲狀結(jié)構(gòu)纖毛或鞭毛中以維持機(jī)能運(yùn)作,研究結(jié)果2014年11月刊載于科學(xué)期刊Science。
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                         圖片:器官上皮細(xì)胞奈米尺,來源東京大學(xué)

纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu)幾乎相同,其長度數(shù)微米至數(shù)十微米,粗細(xì)200奈米左右,是一種非常微細(xì)的細(xì)胞突出絲狀構(gòu)造,能藉形成水波引發(fā)液體流動。例如:精子擺動尾部的鞭毛以向前移動;纖毛擺動可排出進(jìn)入氣管內(nèi)的異物、協(xié)助卵子在輸卵管內(nèi)前進(jìn)、引發(fā)大腦內(nèi)腦脊髓液的流動等。纖毛運(yùn)動是由動力蛋白dynein驅(qū)動,dynein以96奈米為單位,以相同重復(fù)結(jié)構(gòu)整齊排列。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),告知細(xì)胞96奈米長度的物質(zhì)是FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體-奈米尺。
Kartagener病患的纖毛無法正常擺動。已知FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體變異缺少,是Kartagener病癥的主要致病原因,但不知為何缺少此蛋白復(fù)合體,纖毛擺動就出現(xiàn)異常。為解開其機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)使用超低溫電子顯微鏡,觀察該蛋白復(fù)合體缺損的纖毛構(gòu)造,發(fā)現(xiàn)上述96奈米為單位,相同的重復(fù)結(jié)構(gòu)完全消失。故認(rèn)為FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體,可能作為96奈米尺,維持機(jī)能運(yùn)作。
若FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體真的作為奈米尺,當(dāng)它的長度改變,細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)也應(yīng)會產(chǎn)生變化。果然,藉由基因操控,將FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體長度變長,成功制造出自然界不存在、120或128奈米為單位的重復(fù)結(jié)構(gòu)。也發(fā)現(xiàn)它不僅扮演奈米尺的角色,也決定動力蛋白dynein的排列順序。通常,96奈米的重復(fù)結(jié)構(gòu), A至G共7種動力蛋白dynein,以A-B-C-E-G-D-F的順序排列,但若操控奈米尺基因,則能制造出A-B-C-E-C-E-G-D-F或A-A-B-C-E-G-D-F-F的人工蛋白質(zhì)序列。利用奈米尺特性,有希望能任意配置動力蛋白的排列順序,制造出人工的奈米機(jī)器。
纖毛運(yùn)動不全所造成的Kartagener病癥,是相當(dāng)嚴(yán)重的疾病。若纖毛無法擺動,氣管無法排出異物而易導(dǎo)致肺炎;精子無法運(yùn)動會導(dǎo)致不孕;腦脊髓液滯留在腦室會導(dǎo)致腦水腫;或心臟與肝臟的位置相反,造成內(nèi)臟異位,導(dǎo)致畸型。該研究發(fā)現(xiàn)這些Kartagener病癥,都是因纖毛的奈米尺缺損導(dǎo)致dynein蛋白質(zhì)機(jī)能異常。
名詞解釋
1.動力蛋白 : motor protein,細(xì)胞中本身可以運(yùn)動的蛋白質(zhì)。例如使纖毛擺動的dynein,腦或神經(jīng)中調(diào)控物質(zhì)搬運(yùn)的kinesin,使肌肉運(yùn)動的myosin。
2.超低溫電子顯微鏡 : 將細(xì)胞或生物體內(nèi)分子瞬間凍結(jié),使用高解析電子顯微鏡直接觀察的方法。
3.內(nèi)臟異位 : 小鼠內(nèi)臟的左右位置,受到胚胎發(fā)育初期的原結(jié)活動所決定。后來透過電子顯微鏡及高速視訊顯微鏡觀察數(shù)種脊椎動物胚胎,發(fā)現(xiàn)原結(jié)周邊的纖毛,高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生水流,會決定內(nèi)臟的左右位置。Kartagener病患因纖毛異常,易產(chǎn)生內(nèi)臟異位,導(dǎo)致畸型。

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