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纤毛基底的原位结构揭示了IFT列车的逐步组装

Hugo van den Hoek, Nikolai Klena, Mareike A. Jordan, Gonzalo Alvarez Viar, Miroslava Schaffer, Philipp S. Erdmann, William Wan, Jürgen M. Plitzko, Wolfgang Baumeister, Gaia Pigino, Virginie Hamel, Paul Guichard, Benjamin D. Engel

预印本发布于2021年11月15日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.10.17.464685v1

所有乘坐!进入前,IFT训练在纤毛基部按顺序组装

选择 尼古拉·史蒂文森

背景

纤毛是微管为基础的触角状细胞器,从细胞表面延伸出来。在这里,它们能探测到生物化学和机械的线索,在纤毛运动的情况下,通过拍打来提供运动。纤毛的主要结构成分是轴突;由9个微管二重子组成的圆柱形阵列,从母中心粒的三联微管延伸形成一个突出物。这一结构被质膜——纤毛膜的专一结构域所包裹,纤毛膜包裹微管并锚定在纤毛基部的母中心粒上。这个固定点形成了过渡区,这是一个由多种蛋白质复合物形成的选择门,控制蛋白质和脂质进入纤毛。

过渡区对于维持一个与细胞质膜或细胞质膜分子特征不同的腔室是至关重要的。然而,它的存在给需要进入纤毛空间的蛋白质带来了一个问题。过渡区选择性和功能的确切机制尚不清楚,但其中一种途径是搭乘鞭毛内运输(IFT)列车。这些列车由IFT粒子的长线性阵列组成,它们利用轴索eme作为轨道来运输货物进出纤毛。IFT粒子有两种类型,IFTA和IFTB,它们本身是多亚基组装体。向纤毛尖端的顺行运输是由IFTB颗粒介导的,它吸收微管运动激酶-2,而逆行运输是由IFTA颗粒和动力蛋白-2(动力蛋白-1b在衣藻reinhardtii)汽车。

虽然很多都知道组装的IFT列车的结构和它的动力轴酮,组装,装卸火车的机制仍然是谜。纤毛基部周围是一个拥挤的地方,中心蛋白和纤毛蛋白都在争夺空间。大量的研究表明,纤毛货物、马达和IFT蛋白都聚集在这里,等待通过大门。那么,秩序是如何从这种混乱中衍生出来,来调节睫状体的进入呢?在这个预印本中,范登霍克.利用冷冻电子断层扫描(ET)和膨胀显微镜来可视化IFT列车组装,对理解这一过程迈出了一大步。

重要发现

在这项研究中,作者使用了模式生物衣藻reinhardtii,它有一个易于接近的鞭毛(运动纤毛),以研究在纤毛基部的IFT组装。首先,他们使用低温et和亚层析平均法观察过渡带本身的结构。y -链是过渡区的关键结构,位于轴索eme和纤毛膜之间。在这项研究中,作者表明膜结合并不是y链形成的先决条件。星形纤维也很明显,在轴索内腔内形成一个横截面的9尖星形。在这些结构的远端观察到一个以前未见的螺旋“套”装饰着微管,作者预测这可能指定轴索肽断裂的位置。

有趣的是,还观察到了丝状的粒子串。它们一端连接到过渡区,另一端延伸到细胞质中。与以往成熟轴突序列结构的比较,证实这些弦正在组装IFT序列。组装序列比成熟的轴突序列更灵活,在未知身份的驱动蛋白2结合位点附近的IFTB上含有额外的密度。

比较各种IFT部件的空间排列,发现列车是按顺序组装的。序列中最完整的区域靠近过渡区,然后随着它延伸到细胞质中,首先是dynein-1b,然后是IFTA密度缺失。这表明IFTB主干首先构建,然后是IFTA,然后是动力蛋白-2的招募。由于驱动蛋白-2体积较小且具有较强的灵活性,因此无法通过低温et鉴定。相反,作者使用膨胀显微镜显示这是最后招募的组件。

过渡区和集合IFT列车.左:预印图1的低温et图像。右:预印图2代表性层析图:黄色= IFTB;橙色= IFTA;红色= dynein1b;紫色=星状纤维;绿松石= Y-links;深蓝色= MTD螺旋套筒;灰色=微管(添加示意图)。

重要性

我选择这个预印本,因为它美丽地可视化神秘的早期阶段的IFT列车组装。纤毛进入前基底体发生的事件对纤毛的行为调节至关重要,无论是纤毛结构的构建还是其信号传递能力的确定,但我们对它们知之甚少。阐明IFT列车组装的机制有助于阐明IFT是如何调节的,以平衡运输,并确保只有功能正常的列车才能占用轴突高速公路上宝贵的空间。这也是一个关键的步骤,以阐明如何过渡区可以作为一个选择门的功能。编码IFT和过渡区蛋白的基因突变的破坏性后果证明了所有这些过程的重要性,这导致了一系列被称为“纤毛病”的多效性疾病。

标签:纤毛dynein-2鞭毛界面张力kinesin-2蛋白质复合体组装结构生物学运输

发布日期:2021年11月15日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.31030

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作者的回应

本杰明·恩格尔共享

作者的问题

我脑海中浮现的一个突出问题是,考虑到IFT列车的规模,如何通过这个过渡区。你有没有看到任何放松或重组的过渡区蛋白质在火车入口点允许它们通过?或者你能从它们的排列和相对大小判断它们是否能在y轴等结构之间传递吗?

有趣的问题!我们没有观察到过渡带松弛的证据。从图1A的原始层析图中可以看到,微管和膜之间有足够的空间供IFT训练通过过渡区。图2A与绑定的IFT列车的过渡区复合结构(右图为preLight)显示了列车如何通过跟踪两个相邻的双极微管的y轴在过渡区运行。此外,图3A-B显示了我们数据集中每列列车相对于过渡区的装配状态和位置。我们观察到许多列车的前端沿着y轴连接,但只有一些列车的末端沿着MTD套管。由于我们估计每一列组装列车在进入纤毛基底前停留约9秒(见讨论),我们解释这意味着套管是不可返回的点,列车将继续进入纤毛。

这将很难确定从结构研究,但你的工作抛出任何线索,如何IFT列车长度可以在这一组装过程中调节?

IFT火车长度是我和Gaia Pigino思考了很长时间的一个话题。Will Ludington和Wallace Marshall观察到IFT列车的大小与它在睫基停留的时间有关(Ludington et al., 2013;https://doi.org/10.1073/pnas.1217354110).我们的低温et测量显示,组装和成熟的序列都有一个连续的长度(图3A和C),这与底部IFT组装相对恒定的速度结合随机进入纤毛的想法是一致的。然而,这只是推测,调控IFT组装和进入的精确分子机制需要进一步研究。在我作为马歇尔实验室学生的第一篇论文中,威尔和我发现在pH-shock脱落后睫状体再生的早期阶段IFT训练更大(Engel et al., 2009;https://doi.org/10.1083/jcb.200812084)。在这种条件下组装IFT序列将是非常有趣的,但我们需要通过冷冻fib铣削来更好地靶向睫状体基,因为这篇论文中适当的冷冻et数据集已经花了5年多的时间来收集。

你看到任何拆解火车的证据了吗?这是你将来可以看到的东西吗?

我们没有看到逆行的火车在拆卸。我们将其解释为,与睫尖的快速重塑相似,纤毛基部的train被快速拆卸。我们不能确定逆行列车是在通过MTD滑套之前还是之后被拆卸,但这个微管装饰可能会阻止逆行运输或分离动力蛋白马达。我们之所以能看到顺行列车的组装,是因为它们在进入前停留了几秒钟,并且确实每个过渡区的双微管都被一列组装列车捆绑(图4D-E)。

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