2020年10月28日，清華大學生命科學學院潘俊敏和梁鑫課題組合作，在eLife期刊上在線發表了題為“馬達蛋白kinesin-II參與“鞭毛內運輸”與纖毛長度調控的功能解析” (Functional Exploration of Heterotrimeric Kinesin-II in IFT and Ciliary Length Control in Chlamydomonas)的研究論文。該論文揭示了kinesin-II異源三聚體的組成特性對于“鞭毛內運輸”（Intraflagellar Transport，IFT）的必要性，同時探討了該類分子馬達的運動速度在纖毛長度調控中的作用。

纖毛（亦稱鞭毛）是以微管為結構骨架，由纖毛膜包被且突出于細胞表面的細胞器，普遍存在于真核生物中，主要參與細胞運動及各類信號傳導過程。纖毛結構和功能的異常會導致一系列的疾病（即纖毛病），例如腎囊腫、視網膜退化、男性不育、多指癥、內臟翻轉等。“鞭毛內運輸”（IFT）是組裝纖毛并維持其長度的關鍵細胞生物學過程。因此，對IFT過程及其在纖毛長度控制中的作用對基礎細胞生物學的探索及相關疾病的機理研究有重大意義。

在本篇論文中，研究者們首先發現kinesin-II形成的異源馬達蛋白二聚體結構是其正常行使IFT功能所必須的，缺失任何一個馬達蛋白亞基將導致整個馬達復合物不穩定從而降解。同時，這種異源二聚體的結構也是kinesin-II結合IFT蛋白復合物及其他非馬達蛋白亞基的必要條件，而這些蛋白之間的相互作用是kinesin-II行使IFT功能所必需的。同時，研究者們也注意到不同生物體中kinesin-II馬達分子所驅動的IFT的速度變化較大，例如衣藻中IFT的速度約為2 μm/s，而哺乳動物細胞約為0.5 μm/s左右。有趣的是，IFT速度的差別也伴隨著纖毛長度的差異，例如衣藻的纖毛較長（~12 μm），而哺乳動物細胞的纖毛較短（~4 μm）。那么，馬達蛋白的運動速度是否及如何參與纖毛長度的控制呢？通過構建人源和衣藻源的嵌合kinesin-II，研究者們制作了具有慢速IFT的衣藻品系（速度降低了3倍）。有趣的是，該嵌合突變體衣藻能夠組裝纖毛，而且纖毛的長度僅降低了15%，說明IFT過程中分子馬達的速度與纖毛長度之間具有非線性的調控關系。為了進一步明確二者之間的調控機制，研究者們發展了纖毛長度控制的數理模型，模擬結果發現分子馬達及纖毛組裝相關蛋白（例如微管）進入纖毛的有限性是控制纖毛長度的決定因素，也是馬達速度和纖毛長度之間非線性關系的根本原因。該研究系統的探索了kinesin-II馬達分子的結構、功能并首次研究了馬達速度在纖毛長度控制中的貢獻，為深入理解類似纖毛等細胞器的尺寸和結構控制提供了新的見解。

該論文的工作中涉及單分子成像，衣藻活細胞成像，電子顯微成像及數理建模等多項技術合作及多學科交叉，主要工作由潘俊敏研究組李淑芬（第一作者）和陶慧（博士生），梁鑫課題組陳衛（博士生）及英國埃克塞特大學Kirsty Y Wan研究員共同完成。潘俊敏教授和梁鑫研究員為本文的共同通訊作者。本工作的開 展獲得了科技部重點研發計劃、國家基金委，清華-北大生命聯合中心以及Global Challenges Research Fund of the Academy of Medical Science的贊助。

論文鏈接：https://elifesciences.org/articles/58868

圖一，構建人源和衣藻源嵌合kinesin-II研究馬達蛋白速度改變對纖毛長度的調控。