中心體是動物細胞內高度保守的細胞器，由兩個互相垂直的中心粒（centriole）以及圍繞在中心粒周圍的外周物質（pericentriolar material，PCM）組成。中心體作為細胞內主要的微管組織中心，在細胞增殖過程中介導紡錘體的裝配和染色體的分離。同時，其核心組分中心粒還能作為基體裝配纖毛和鞭毛，對細胞運動與訊號轉導至關重要。中心體異常往往與腫瘤、小腦畸形以及纖毛病等多種人類疾病密切相關。

中心體上集合了上百種蛋白，其分佈直徑約為幾十到幾百奈米，因此普通光學顯微鏡無法獲得足夠的解析度來解析中心體上蛋白的裝配模式。近年來，以三維結構光照明（Three-dimensional Structured Illumination Microscopy, 3D-SIM）為主的多種超高分辨顯微技術的應用，使得中心體蛋白的解析有了突破性的進展，較為系統地描繪了中心體外周分佈直徑較大的蛋白的空間圖譜。然而，針對中心體核心位置的蛋白依然缺乏有效的解析手段。這部分結構稱為車輪結構（cartwheel），在水平方向上由約22 nm直徑的中央環（central hub）和環上發射出的九個輻條（spoke）組成，透過針頭（pinhead）連線中心粒的微管壁。在垂直方向上多個車輪結構疊加起來，形成中心體9軸對稱結構的核心基礎。

2021年2月3日，中國農業大學生物學院傅靜雁課題組在Journal of Cell Biology雜誌上線上發表了題為Super resolution characterization of core centriole architecture的文章。該研究運用多種超高分辨顯微技術，對位於中心體核心結構的蛋白進行時空解析，提出核心蛋白組裝形成9軸對稱中心體結構的模型。

研究人員首先運用受激發射損耗（STimulated Emission Depletion，STED）超高分辨顯微技術實現對中心體蛋白在50 nm左右解析度的觀察，發現果蠅中心體蛋白Sas6、Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152均呈現延展的空間分佈，依次相互銜接，由中心體最核心位置向外延伸至外周（圖1），而Ana3和Rcd4蛋白則在空間上呈現較緊緻的結構，位於中心體較核心位置。

圖1. 50 nm左右解析度下，果蠅中心體蛋白Sas6、Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152均呈現延展的空間分佈，標尺：200 nm。

在此基礎上，研究人員將超微結構膨脹顯微技術（Ultrastructure Expansion Microscopy, U-ExM）與3D-SIM超高顯微技術聯用，獲得約25 nm的空間解析度。研究發現以上6種蛋白均呈現9軸對稱。其中，Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152蛋白沿著相同的軸向分佈，並且從相鄰兩組二聯體微管之間穿過向外延伸（圖2），組成了車輪狀結構的9軸骨架。Ana3和Rcd4蛋白的9軸對稱結構則位於Cep135-Ana1-Asl形成的9軸骨架之間。透過上述研究，研究人員提出了中心體核心蛋白組裝形成9軸對稱結構的空間模型（圖3）。

圖2. 25 nm左右解析度下，Ana1/Cep295與Asl/Cep152蛋白呈現相同的軸向分佈（A），從相鄰兩組二聯體微管之間穿過（B）, Ana3蛋白的9軸對稱結構位於Asl的對稱結構之間，標尺：500 nm。

此外，研究人員對兩個較新發現的中心體核心蛋白Ana3和Rcd4進行功能研究，發現其在中心體裝配通路中處於中游位置。Ana3在募集時間點上較Sas6靠後，但早於Rcd4與Cep135，後兩者則順序無法區分、招募時間非常相近。進而研究人員發現Ana3或Rcd4蛋白的缺失均能顯著影響Cep135-Ana1-Asl蛋白複合物的募集。課題組前期的工作發現該複合物是新生中心粒轉變為成熟中心粒的關鍵因子，使得新生中心粒獲得複製下一代的能力（Fu et al., 2016, NCB）。因此，Ana3和Rcd4蛋白透過調控此複合體的募集從而調控中心體複製。

綜上，研究人員透過多種超高分辨顯微技術的聯合應用，解析了中心體核心蛋白9軸對稱的高分辨空間資訊，並對兩個較新發現的因子進行深入的功能研究。

中國農業大學生物學院傅靜雁教授為該論文的通訊作者，中國農業大學博士研究生田原為該論文的第一作者，魏晨曦、閻彧萱、龐南和方曉敏同學參與了部分研究工作。清華大學梁鑫研究員及何劍鋒為該研究工作提供了資料分析的技術支援。

圖3. 果蠅中心體核心蛋白的時空分佈模式圖。

原文連結：

https://rupress.org/jcb/article/220/4/e202005103/211748/Superresolution-characterization-of-core-centriole?searchresult=1