细胞“天线”——纤毛研究的前世今生

纤毛(cilia)作为突起于细胞表面的细长管状结构,近年来已成为细胞生物学领域的研究热点之一。纤毛可分为动纤毛和静纤毛,它们在生物的发育和生长过程中起着极为重要的作用。该文拟简单概述纤毛的研究历史,并通过纤毛领域近年来的重要发现来进一步介绍纤毛的结构组成及其相关信号调节在疾病和衰老中的作用。     

哺乳动物纤毛/鞭毛内运输在精子形成中的作用及机制研究进展

纤毛/鞭毛是真核生物细胞表面伸出的进化保守的细胞器,独特的位置和特性使它们在细胞运动和信号传递等生命过程发挥重要作用。哺乳动物纤毛/鞭毛的组装和维持都依赖纤毛/鞭毛内运输(intraflagellar transport,IFT)。IFT是由IFT复合体A和复合体B在驱动蛋白或马达蛋白驱动下的双向运输系统。该过程可将货物蛋白在胞体的合成位点与纤毛/鞭毛尖端的装配位点之间进行运输。鞭毛是哺乳动物精子产生动力的特异性细胞器,其完整性对精子正常功能至关重要。近年来研究表明,IFT在哺乳动物精子鞭毛形成和雄性生殖能力方面必不可少。本文对参与IFT的蛋白在精子鞭毛形成中的作用和机制进行了综述,以探讨其在男性不育症中的发病机制,为不育症的诊断和治疗提供理论基础。     

神经细胞初级纤毛在中枢神经系统疾病中作用的研究进展

初级纤毛广泛存在于哺乳动物中枢神经系统中,是神经细胞重要的胞外细胞器。初级纤毛中含有多种离子通道、G蛋白耦联受体、激酶等,提示初级纤毛可感受胞外信号并将信号转导至细胞内,从而引起细胞对外界刺激信号产生应答反应。近年来大量研究表明调控纤毛结构及功能的基因发生突变后,会导致许多单基因的遗传性疾病。当神经细胞初级纤毛中激酶、G蛋白耦联受体以及离子通道的功能异常后,往往会引起一系列的神经精神疾病、神经系统发育异常等神经系统疾病。本文就初级纤毛在神经系统疾病中作用的研究进展进行综述。     

纤毛通路

发现 初级纤毛是位于细胞表面微小的绒毛状细胞器，它们在视觉和味觉方面发挥重要功能。纤毛膜的组成不同于其他细胞膜，其中的蛋白质（胞裂蛋白）形成环状以防止自身扩散。但纤毛的胞质蛋白如何正确定位至特定位置的机制目前仍未知。     

纤毛疾病Joubert综合征与神经发育

Joubert综合征(Joubert syndrome)是一类常染色体隐性遗传神经发育障碍疾病,主要症状表现为共济失调、肌张力低、呼吸和眼动异常、认知障碍以及发育迟缓等,此外,还不同程度地间杂其他多器官病变。Joubert综合征的典型影像学特征为"臼齿征"(molar tooth sign),由小脑蚓部发育不良或缺如,小脑上脚和皮质脊髓束交叉减少或缺失等所致。目前,已发现20多种Joubert综合征致病基因,有趣的是,它们所编码的蛋白质大都与细胞纤毛(cilium)的结构和功能密切相关。纤毛广泛参与机体的发育和多种细胞功能,其结构和功能异常所致疾病统称为纤毛疾病(ciliopathies)。Joubert综合征是一种典型的纤毛疾病,然而,对于这些纤毛病变基因如何导致神经发育障碍尚知之甚少。该文讨论了Joubert综合征与纤毛的相关性,并重点阐述了Joubert综合征致病基因在神经发育中的作用及机制。     

黑斑娃(Rana nigromaculata)胚胎纤毛细胞和孵化腺细胞发生的扫描电镜图说明

1.神经褶中期外胚层中有一部分细胞位于表皮表面下,开始在细胞的表面产生一些纤毛.2.胚动期纤毛细胞,此时纤毛细胞还没有完全升到胚胎的表面.3.孵化期的纤毛细胞,注意所有纤毛细胞彼此均不相连接.4.孵化腺细胞(大指针)常常是     

魏氏拟尾柱虫腹皮层纤毛器微管胞器的形态及形态发生

应用荧光紫杉醇直接荧光标记和抗α-微管蛋白抗体免疫荧光标记显示,魏氏拟尾柱虫(Paraurostyla weissei)腹面皮层纤毛器微管胞器由口围带、波动膜、额腹横棘毛和左右缘棘毛等纤毛器微管、纤毛器基部附属微管等组成。其中口围带基部微管包括小膜托架、小膜附属微管;额腹横棘毛和左右缘棘毛基部附属微管包括前纵微管束、后纵微管束和横微管束,它们由各自的纤毛器基部向皮层细胞质不同方向发射,形成腹皮层表面下微管网。结果表明,魏氏拟尾柱虫的纤毛器骨架、纤毛器附属结构也是一类以微管蛋白为基本成分的微管胞器,其中缘棘毛基部附属微管具有不同于其他纤毛虫(例如棘尾虫)中所观察到的同种微管胞器的建构特征。形态发生中,前仔虫口围带在老结构位置形成,其结构建成与部分老口围带的更新有关;老缘棘毛的结构物质对新的左、右缘棘毛的发生可能具有定位作用及物质贡献,但此后新的左、右缘棘毛列分别在老缘棘毛的右侧形成,而并非是在老缘棘毛位置分化的。在有些细胞中,新的左缘棘毛左侧另有一列棘毛,这可能是形态发生中老的左缘棘毛退化不完全产生的。     

衣藻、纤毛与“纤毛相关疾病”

纤毛或鞭毛（两个名称在本文互为通用）是以细胞微管为核心而组装形成的一种细胞器官．运动纤毛在细胞运动中起的作用是显而易见的,比如精子的运动：近年来发现,曾被认为是退化器官的不动原生纤毛在动物发育和各种生理器官的正常生理活动中起着重要作用．原生纤毛具有调控细胞分裂,Hedgehog信号通路,非经典Wnt信号通路及钙信号传导等的作用．纤毛及其附属结构在结构或功能上的缺陷会导致多种多样的疾病,总称为“纤毛相关疾病”,包括男性不育症、呼吸道疾病（如不动纤毛综合征、肾囊肿、失明、多指（趾）症、内脏转位、肥胖症、高血压乃至精神发育迟滞等．纤毛在结构和功能上是非常保守的,我们目前对纤毛的结构与功能的认识和对“纤毛相关疾病”发生机理的了解主要来自于对各种模式生物的研究,其中包括具有研究优势的模式生物——雷氏衣藻（Chlamydomonas reinhardtii,一种单细胞绿萍）．对纤毛的进一步研究将深化人们对“纤毛相关疾病”的认识、促进对它的诊断、预防和治疗．本文对衣藻、纤毛及“纤毛相关疾病”的研究进展作一简短概述．     

鞭毛和纤毛

鞭毛和纤毛是原生动物的运动细胞器,它们除了运动功能之外,它们的摆动还可以引起水流、利于取食、推动物质在体内的流动,另外它们也具有某些感觉的功能。多数鞭毛虫具有1—2根鞭毛,长为5—200微米,摆动是对称的,包括几个左右摆动的运动波。纤毛数目很多但较短,一般长3—20微米,运动是不对称的,仅包括一个运动波。     

贻贝棘尾虫口器的结构

利用半薄连续切片和超薄切片对贻尾虫口器的显微及亚显微结构进行了观察,澄清了口侧膜和口内膜的立体位置,它们均为纤毛膜,口侧膜发自内唇的边缘,由两排纤毛构成,口内膜发自口围右壁,紧贴口围顶壁向左伸展,由单排纤毛组成,在口内膜的腹侧发现一非纤毛厚膜,暂定名为吞噬辅助膜,它由两层质膜夹一纵行微管束层构成,至口围后部口围带内收之处,此膜再向腹侧延伸出第二个膜,共同构成括号状,至胞口处此膜与口内和口侧膜互相包卷而成一包卷体,共同进入胸咽,经分析认为此膜及其与两纤毛膜形成的包者体,对棘尾虫摄取的大固体食物起重要作用。     

阔口尖毛虫皮层纤毛器微管在不同生理条件下的分化

应用激光扫描共聚焦显微术,显示腹毛类纤毛虫阔口尖毛虫(Oxytricha platystoma)无性生殖过程中,新的口围带、波动膜、额腹横棘毛、左右缘棘毛微管先后分化,老纤毛器微管去分化,细胞分裂产生各含一套纤毛器微管的前、后两仔虫;生理改组过程中,口围带、波动膜、额腹横棘毛、左右缘棘毛微管发生去分化和再分化,细胞皮层微管胞器更新形成含一套纤毛器微管的新细胞。结果表明阔口尖毛虫在无性生殖和生理改组这两种不同的生理条件下,其纤毛器微管结构的形成或更新可能具有相同的细胞调控机制,形态发生中老纤毛器结构可能对新结构的发生和发育具有诱导定位和物质贡献的作用。     

可口革囊星虫肾管纤毛的分布及结构特征

为了解可口革囊星虫(Phascolosoma esculenta)肾管纤毛的结构特点及其功能,采用显微及亚显微技术观察研究了可口革囊星虫肾管纤毛的分布位置及形态结构特征。结果表明,肾管外膜多纤毛细胞表面簇生纤毛、内部柱状上皮细胞与立方上皮细胞游离面着生分散的纤毛,肾口内面也着生纤毛。纤毛结构由纤毛干、过渡区、基体及其纤毛小根组成;纤毛干由"9+2"结构的轴丝外被纤毛膜构成;纤毛干与基体之间为过渡区,中央微管终止于此,外周双联微管通过过渡区和基体的外周轴丝相连;基体呈圆筒状,为"9+0"结构;纤毛小根分长根和短根,均为基体发出的由微细原纤维组成的圆锥形结构,具间隔70 nm的明显横纹。肾管纤毛可能在促进体腔液流动、提高肾管对体腔液的过滤作用以及引导成熟精卵进入肾管等方面发挥作用。     

大肠杆菌纤毛株的调查

大肠杆菌纤毛株大多数能产生耐热肠毒素与不耐热肠毒素,该菌借其纤毛附着在肠壁细胞上,引起感染而致病。菌株的纤毛同时也是一种重要的保护抗原。国外已有用此抗原制备成菌苗,广泛用于接种。为了查明仔猪患黄、白     

草履虫的激应性实验

草履虫既是单细胞又是完整的动物体。它们能适应水体中的各种小环境,这主要靠它们具有的激应性来实现。在一般实验室内,可做以下的实验,以加深对单细胞动物激应性的理解。 (一)逃避反应(Avoiding reaction) 草履虫在水中随时以其前端的纤毛和表膜以及口沟造成的水漩窝的冲击,感受前面小环境中的理化刺激。如有阻碍它们前进或不利于它们生存的刺激时,立即以反向纤毛运动和身体的反向旋转,使身体后退,避开前面的不良环境,然后继续前进。这可以用物理阻碍实验     

初级纤毛与Wnt信号通路相关性研究进展

初级纤毛是一类以微管为基础结构的细胞器,其来源于细胞的母中心粒,锚定在细胞膜并如“天线”般突出细胞表面。作为细胞感受器,初级纤毛从环境中接受各种信号,传导至细胞内引起细胞反应。近期的研究表明,初级纤毛对与胚胎发育密切相关的Wnt信号通路的传导起重要作用。纤毛的损害可造成Wnt信号通路的异常,并引起胚胎中多类脏器一系列的病理改变,导致初级纤毛相关疾病的发生。文章主要阐述了初级纤毛与Wnt/β-catenin、Wnt/PCP通路及初级纤毛相关疾病之间的关系,并对初级纤毛相关疾病的治疗进行了初步探讨。对初级纤毛与Wnt信号通路关系的深入研究将有助于人们对该类疾病的进一步诊断和治疗。     

纤毛疾病和与之相关的基因

近年来,研究发现纤毛在生成或者形态的缺陷均能导致新生儿遗传性疾病。与其他细胞器不同的是,纤毛这一小的毛发状细胞器能在几乎所有的极性细胞表面上生成,而且功能非常多样化。纤毛在调节脊椎动物的发育和内环境的平衡起着相当重要的作用,而与纤毛相关基因的缺失则与一系列疾病相关,包括:Nephronophthisis、Joubert综合症、Meckel-Gruber综合症和BardetBiedl综合症等。结合最近的研究,本文主要对四类主纤毛相关疾病的基因进行归类总结。     

阔口尖毛虫无性生殖和生理改组过程的比较

阔口尖毛虫无性生殖中先后发生后口围带原基,前、后的波动膜原基,额腹横棘毛原基和左、右缘棘毛原基,老口围带也在此期间更新,结果形成2套新纤毛结构,原老结构瓦解消失;生理改组时按同样顺序产生口围带原基等几类腹面纤毛原基,结果形成1套新纤毛结构,替换老结构。在这两个截然不同的过程中,新纤毛结构的分化和老纤毛结构退化时也表现出某些相似的特征。作者据此推测,这种纤毛虫无性生殖和生理改组中,纤毛原基的发生、发育和定位在细胞控制机理上可能是相同的。     

动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛(3)

动物是从单细胞生物中带鞭毛的领鞭毛虫演化而来的,但是在过去的很长一段时期中,人们普遍认为动物身体内的多数细胞是不带鞭毛的,只有精子、呼吸道和输卵管的上皮细胞有能够摆动的鞭毛(称动纤毛)。在20世纪60年代,人们就发现动物细胞上不能摆动的鞭毛(称静纤毛),但是由于不知其生理功能而不被重视。在21世纪初,科学家发现,多囊肾其实是与纤毛有关的疾病,随后对纤毛的研究才进入热潮。近年来的研究表明,在脑脊液的流动和动物内脏位置左右不对称分布上动纤毛发挥关键作用。而静纤毛存在于动物的许多细胞上,含有各种感觉受体,成为动物细胞接收信号的"天线"。它们能够感知动物体内多种液体的流动情况,被动物用于监测血压、眼压、胆汁流动、尿液流动和感知骨骼负荷;动物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉、细胞运动也是通过静纤毛接收信号的。在动物胚胎的发育过程中,静纤毛也负责细胞的信息接收,是Hedgehog(刺猬蛋白)信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路等的起始处。由于纤毛在动物体内的多种功能,纤毛功能障碍会导致全身性疾病,统称纤毛病(ciliopathy),包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、雄性不育、脑室积水、脑发育障碍、骨骼畸形、多指、多囊肾、多囊肝、内脏位置左右颠倒等多种症状。领鞭毛虫的另一个线状结构——领毛,演变成为动物细胞上的微绒毛,像静纤毛一样,成为细胞接收信号的"天线",在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉中发挥作用。因此鞭毛、纤毛和微绒毛一起,被认为是动物细胞上的多功能细胞器。     

动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛(2)

动物是从单细胞生物中带鞭毛的领鞭毛虫演化而来的,但是在过去的很长一段时期中,人们普遍认为动物身体内的多数细胞是不带鞭毛的,只有精子、呼吸道和输卵管的上皮细胞有能够摆动的鞭毛(称动纤毛)。在20世纪60年代,人们就发现动物细胞上不能摆动的鞭毛(称静纤毛),但是由于不知其生理功能而不被重视。在21世纪初,科学家发现,多囊肾其实是与纤毛有关的疾病,随后对纤毛的研究才进入热潮。近年来的研究表明,在脑脊液的流动和动物内脏位置左右不对称分布上动纤毛发挥关键作用。而静纤毛存在于动物的许多细胞上,含有各种感觉受体,成为动物细胞接收信号的"天线"。它们能够感知动物体内多种液体的流动情况,被动物用于监测血压、眼压、胆汁流动、尿液流动和感知骨骼负荷;动物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉、细胞运动也是通过静纤毛接收信号的。在动物胚胎的发育过程中,静纤毛也负责细胞的信息接收,是Hedgehog(刺猬蛋白)信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路等的起始处。由于纤毛在动物体内的多种功能,纤毛功能障碍会导致全身性疾病,统称纤毛病(ciliopathy),包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、雄性不育、脑室积水、脑发育障碍、骨骼畸形、多指、多囊肾、多囊肝、内脏位置左右颠倒等多种症状。领鞭毛虫的另一个线状结构——领毛,演变成为动物细胞上的微绒毛,像静纤毛一样,成为细胞接收信号的"天线",在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉中发挥作用。因此鞭毛、纤毛和微绒毛一起,被认为是动物细胞上的多功能细胞器。     

动物细胞的多功能细胞器——鞭毛、纤毛和微绒毛(1)

动物是从单细胞生物中带鞭毛的领鞭毛虫演化而来的,但是在过去的很长一段时期中,人们普遍认为动物身体内的多数细胞是不带鞭毛的,只有精子、呼吸道和输卵管的上皮细胞有能够摆动的鞭毛(称动纤毛)。在20世纪60年代,人们就发现动物细胞上不能摆动的鞭毛(称静纤毛),但是由于不知其生理功能而不被重视。在21世纪初,科学家发现,多囊肾其实是与纤毛有关的疾病,随后对纤毛的研究才进入热潮。近年来的研究表明,在脑脊液的流动和动物内脏位置左右不对称分布上动纤毛发挥关键作用。而静纤毛存在于动物的许多细胞上,含有各种感觉受体,成为动物细胞接收信号的"天线"。它们能够感知动物体内多种液体的流动情况,被动物用于监测血压、眼压、胆汁流动、尿液流动和感知骨骼负荷;动物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉、细胞运动也是通过静纤毛接收信号的。在动物胚胎的发育过程中,静纤毛也负责细胞的信息接收,是Hedgehog(刺猬蛋白)信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路等的起始处。由于纤毛在动物体内的多种功能,纤毛功能障碍会导致全身性疾病,统称纤毛病(ciliopathy),包括嗅觉丧失、听觉丧失、视网膜退化、雄性不育、脑室积水、脑发育障碍、骨骼畸形、多指、多囊肾、多囊肝、内脏位置左右颠倒等多种症状。领鞭毛虫的另一个线状结构——领毛,演变成为动物细胞上的微绒毛,像静纤毛一样,成为细胞接收信号的"天线",在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉中发挥作用。因此鞭毛、纤毛和微绒毛一起,被认为是动物细胞上的多功能细胞器。