細胞內(nèi)測量長度的蛋白質(zhì)

細胞內(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，無法徒手測量。在人類細胞內(nèi)，具有無數(shù)固定長度或大小的構(gòu)造，細胞合成這些構(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)研究所的研究團隊，使用超低溫電子顯微鏡首次證實高等生物也有奈米尺，分布于人體氣管、精子、輸卵管、及腦室細胞的絲狀結(jié)構(gòu)纖毛或鞭毛中以維持機能運作，研究結(jié)果2014年11月刊載于科學(xué)期刊Science。

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200奈米左右，是一種非常微細的細胞突出絲狀構(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；纖毛擺動可排出進入氣管內(nèi)的異物、協(xié)助卵子在輸卵管內(nèi)前進、引發(fā)大腦內(nèi)腦脊髓液的流動等。纖毛運動是由動力蛋白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。該研究團隊發(fā)現(xiàn)，告知細胞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。為解開其機制，研究團隊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。故認為FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體，可能作為96奈米尺，維持機能運作。

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器。

纖毛運動不全所造成的Kartagener病癥，是相當(dāng)嚴重的疾病。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)機能異常。

1.動力蛋白 : motor protein，細胞中本身可以運動的蛋白質(zhì)。例如使纖毛擺動的dynein，腦或神經(jīng)中調(diào)控物質(zhì)搬運的kinesin，使肌肉運動的myosin。

2.超低溫電子顯微鏡 : 將細胞或生物體內(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。