IF50.5｜哺乳动物运动纤毛轴丝的结构多样性

精子鞭毛的轴丝远比上皮纤毛复杂，新增约30种精子特异蛋白。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

运动纤毛通过轴丝这一微管分子机器产生节律性摆动，驱动生殖、发育和体内液体流动。轴丝由九组双联微管（DMTs）围绕中央微管对构成，DMTs上规律排列着外臂动力蛋白（ODAs）、内臂动力蛋白（IDAs）、放射辐（RSs）、nexin-动力蛋白调节复合体（N-DRC）以及微管内蛋白（MIPs）等。此前已获得莱茵衣藻的轴丝原子模型，但哺乳动物轴丝结构仍不完整，且不同细胞类型间轴丝的分子差异尚未系统阐明。

科学问题

卡在哪里： 哺乳动物不同运动纤毛细胞（如精子、输卵管、脑室、呼吸道）的轴丝结构差异缺乏高分辨率解析，尤其是精子鞭毛的特化分子基础不明。

本文要回答： 解析精子鞭毛和多种上皮纤毛DMTs的96-nm重复单元结构，揭示细胞类型特异的轴丝组成和调控机制。

技术路线

作者主要用了：冷冻电镜、冷冻电子断层扫描、蛋白质组学、AlphaFold2建模。

作者从牛精子、牛和人输卵管、猪脑室等组织分离轴丝，利用单颗粒冷冻电镜（SPA）和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）解析DMTs的96-nm重复单元结构，结合蛋白质组学数据，并借助AlphaFold2进行原子建模。通过比较不同细胞类型的结构，定义精子特异的轴丝组成，并深入解析放射辐3（RS3）的分子构成、RS锚定的酶和分子伴侣，以及动力蛋白的预击发构象。

图 1　Fig. 1。图1对比了牛精子、牛输卵管、猪脑室和人呼吸道纤毛DMTs的96-nm重复单元冷冻电镜密度图。精子DMTs外部复合物密度更丰富，尤其是RS1和RS2之间的桶状密度（TRiC）为精子特有，而上皮纤毛间差异较小。

核心亮点

亮点 1｜精子DMTs高度特化

比较牛精子、输卵管、猪脑室和人呼吸道纤毛的DMTs结构，发现上皮纤毛DMTs几乎相同，而精子DMTs具有额外复杂度，包括微管内蛋白（MIPs）和外部复合物的差异。例如，CIMAP2仅存在于精子，CIMAP3在所有哺乳动物轴丝中均存在。精子DMTs新增约30种蛋白，其中13种为精子特异，包括ARMH1复合体、WDR64、LRRC74A等。

图 2　Fig. 2。图2a列出34个新鉴定的轴丝蛋白，其中21个为通用蛋白（蓝色），13个为精子特异（粉色）。图2b将已知与不育或运动纤毛病相关的蛋白定位到模型上，显示几乎所有亚复合体突变均可致病，强调轴丝的紧密互连。

亮点 2｜RS3的分子组成与不对称性

构建了RS3的原子模型，包含17种蛋白，多数具有酶活性结构域（激酶、磷酸酶、脱氢酶）。RS3的组装核心是CFAP91，其C端螺旋结构域作为平台，通过RIIa或DPY30结构域招募其他蛋白。与RS1/RS2的假二重对称不同，RS3头部因CFAP91单拷贝而呈不对称。精子特异的RS2-RS3桥由RGS22与EFCAB5相互作用形成，可能参与调节纤毛摆动。

图 3　Fig. 3。图3展示了RS3的原子模型，彩色蛋白模型拟合进牛精子冷冻电镜密度图。RS3头部不对称，包含多种酶活性蛋白。精子特异的RS2-RS3桥由RGS22和EFCAB5介导，图中可见桥接密度。

亮点 3｜RS锚定的ATP再生系统

发现三种腺苷酸激酶（AK8、AK9、AK7）锚定于放射辐上：AK8结合RS1/RS2颈部，AK9和两个AK7拷贝位于RS3头部。这些AK通过螺旋结构域与相邻蛋白二聚化并锚定在放射辐核心蛋白上，确保ATP再生系统沿轴丝均匀分布，靠近动力蛋白。AK催化结构域呈现开放和关闭构象混合状态，可能与其催化循环相关。

图 4　Fig. 4。图4显示TRiC伴侣复合体悬浮于RS1和RS2之间。a为整体视图；b显示TRiC近端环与RS1的RGS22和AK8小界面接触；c显示远端环通过未知连接蛋白锚定在RS2的DNAJB13和NME5上；d通过比较酵母TRiC结构确定亚基排列顺序。

亮点 4｜RS锚定的信号激酶

在RS3头部发现锚定的蛋白激酶A（PKA）全酶，由一分子调节亚基（PKAR）和一分子催化亚基（PKAC）组成，不同于经典的四聚体。PKAR直接与苹果酸脱氢酶二聚体相互作用，PKAC仅与PKAR结合，允许催化亚基在cAMP刺激下解离并扩散。此外，CAMK4结合RS1/RS2，STKLD1结合RS3茎部，参与精子特异的RS2-RS3桥形成。

图 5　Fig. 5。图5左为IDAf预击发（上）和击发后（下）状态的分子表面模型，显示运动域位移约8 nm。右为模型展示预击发和击发后状态下IDAf与相邻B微管的相互作用，使用Tetrahymena轴丝亚断层平均图定位邻近DMT。

亮点 5｜精子特异的RS结合TRiC伴侣

在精子RS1和RS2之间发现一个桶状密度，鉴定为T复合蛋白环复合体（TRiC）伴侣，由两个八亚基环组成。TRiC近端环通过RGS22和AK8与RS1结合，远端环通过未知连接蛋白锚定在RS2的DNAJB13和NME5上。TRiC仅存在于哺乳动物精子，可能参与长鞭毛的构建或维持，或作为机械调节器限制RS运动。

亮点 6｜动力蛋白预击发构象

通过三维分类解析了外臂动力蛋白（ODA）和内臂动力蛋白f（IDAf）的预击发状态。IDAf预击发状态中，运动域向微管负端移动约8 nm，fα和fβ的AAA+环从平行变为近垂直。fβ拉动T/TH复合体离开DMT表面，CFAP44的β-螺旋桨结构域与IDAa相互作用。预击发状态下，IDAf与N-DRC和邻近动力蛋白建立新接触，提示其机械化学调节功能。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 冷冻电镜、冷冻电子断层扫描、蛋白质组学、AlphaFold2建模
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 公开仓库 https://github.com/rui--zhang/Doublet；本地已克隆：Doublet
• 谁该点开原文： 从事纤毛生物学、生殖医学、结构生物学和生物信息学的研究人员。

带走一句

精子轴丝通过附加蛋白实现功能特化，结构解析结合蛋白质组和AI建模可系统揭示细胞类型特异的分子机器。