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科研進展

水生所揭示單細胞原生動物超快速運動的分子基礎

發表日期:2023-02-23熊杰來源:水生生物研究所放大 縮小

  單細胞原生動物在自然界中展現出令人驚嘆的運動能力,其中以旋口蟲和鐘蟲的超快速細胞收縮最為矚目。這些原生動物細胞如此之快的收縮運動,早在列文虎克1677年所發表論文中第一組顯微鏡下的發現便已描述。此類細胞的超快速收縮依賴于鈣離子而不直接依賴于ATP,因此與ATP依賴的Actin-Myosin以及Microtubule-Dynein/Kinesin系統截然不同,代表了一類嶄新的分子動力系統。長久以來,其分子基礎和機制仍不清楚。 

  旋口蟲是一種長度近1毫米的大型原生動物纖毛蟲,其細胞可在5毫秒內收縮四分之三的體長,實現超快速細胞收縮。如以體長為單位,這種細胞收縮幾乎是生物世界中最快速的運動形式之一。

[video:旋口蟲及其超快速細胞收縮]
旋口蟲及其超快速細胞收縮

  近日,中國科學院水生生物研究所繆煒研究員團隊以旋口蟲為研究對象,在獲得高質量旋口蟲基因組的基礎上,利用超分辨顯微成像和RNAi等關鍵技術,證明了旋口蟲細胞的超快速收縮系統的分子和結構基礎為兩個長度大于1萬個氨基酸的巨型蛋白(GSBP 12)和兩個鈣離子結合蛋白(Spasmin 12)形成的網狀細胞骨架。這一網狀骨架通過與微管組成的細胞骨架、線粒體和內質網等亞細胞結構耦合,非常好的滿足了超快速細胞收縮系統所需具備的生物和物理條件。 

巨型蛋白和鈣離子結合蛋白形成的網狀收縮骨架及其與微管骨架的耦合 

  本研究一方面為后續深入探索超快速細胞收縮系統的分子機制奠定了基礎;另一方面,為利用合成生物學手段構建相應的分子機器/細胞骨架提供了設計藍圖。組學方法與細胞、遺傳和分子生物學等手段的聯合,為深入開展非模式原生動物的研究提供了參考方案。 

收縮(左)和伸展(右)狀態下的旋口蟲細胞(Featured image, https://www.science.org/journal/sciadv 

  該工作近期以“Giant proteins in a giant cell: molecular basis of ultrafast Ca2+-dependent cell contraction”為題在線發表于Science Advances雜志。研究中所拍攝的收縮和伸展兩種狀態下的旋口蟲細胞照片被選為Science Advances雜志當期的"Featured image"。水生所張晶博士及研究生秦微微、胡澈、谷思雨為論文的共同第一作者,繆煒研究員、熊杰研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、中科院先導專項、國家自然科學基金的資助,以及水生所分析測試中心、中國科學院超級計算武漢分中心和國家水生生物種質資源庫的支持。

  論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6550 

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