【冷知识科普】这是一撮了不起的纤毛

作者: 基因科点普 | 来源:发表于2017-11-13 18:08 被阅读0次

不了解的小伙伴可能会单纯地觉得，细胞的鞭毛和纤毛就是细胞的一个单纯的运动器官。然而事实上，鞭毛和纤毛的在人体发育及各类生理功能中都扮演着重要的角色，可以说比绝大部分人想象的都要重要得多。

鞭毛和纤毛的发现最早要追溯到17世纪，列文虎克第一次用显微镜观察到细胞结构的时候。那时列文虎克观察了一种鞭毛虫，他把鞭毛虫的鞭毛结构，形容为「快速移动的脚」（nimbly moving feet）。

列文虎克早期显微镜的复制品（wikipedia.org）

这种能够快速摆动的毛状结构其实在微生物中十分常见，我们更熟悉的还有草履虫——一种全身遍满纤毛的原生生物，它上面的纤毛可以作为以一种运动器官，进行着有规律的摆动，从而协助草履虫进行运动及摄食。

草履虫（wikipedia.org）

然而随着研究的不断深入，今天我们知道纤毛其实不只有可以动的，也有不动的。前者我们称之为「运动纤毛」（Motile cilia），对应地后者便为「非运动纤毛」（Non-motile cilia）。

纤毛的结构

在讲两种纤毛的功能之前，十分有必要先来跟大家简要的说说纤毛的结构。

纤毛和鞭毛的结构基本一致，它们实质上都是微管及相关蛋白组建成的轴丝。我们往往认为鞭毛只是一种特殊的纤毛，所以我们会一起进行讨论。

纤毛的外部包裹着一层纤毛膜，这其实是细胞膜的特化部分。在这里面包裹着一束束轴丝微管，其中有9束二联体微管均匀地排成一个圆柱型，形成外围。而纤毛的中心则有着一定的区别：有的纤毛中心有2根由中央鞘包围的中央微管，是为「9+2型」（「9」是指周围的九束二联体微管，「2」是指中央的2根中央微管）；有的纤毛中心没有中央微管，是为「9+0型」；还有极为少数的某种纤毛中央有4根单体微管的，是为「9+4型」。

运动纤毛的结构（翻译自wikipedia.org）

电子显微镜下「9+2型」纤毛（c图）与「9+0型」纤毛（f图）的结构（参考文献 [1]）

多数而言，非运动纤毛为「9+0型」纤毛；而运动纤毛一般为「9+2型」纤毛，相比起非运动纤毛，在二联体微管之间、二联体微管与中心微管之间，运动纤毛还连接着内动力蛋白、外动力蛋白、径向辐条等结构，以更好地发挥纤毛运动的功能。

纤毛除了伸出细胞的那部分，还有就是埋在细胞内的基体部分。纤毛的基体与中心粒类似，同时又与纤毛本体部分十分地不同。纤毛的基体部分，尽管外围任然是9束微管，但是不再是二联体，而是三联体；而且不管纤毛运动与否，都没有中央微管的存在。所以呈现的是另一种「9+0型」。

运动纤毛——船桨？

运动纤毛在体内的分布很广，最典型的就是精子尾部那根长长的、用来游动的特殊纤毛（也就是鞭毛）。然而除了精子之外，身体中其它的动纤毛并不会驱动我们的细胞进行运动。相反，它们的功能，更多的是要带动周围的液体环境进行流动。

比如说呼吸道上皮细胞的纤毛，可以通过摆动把粘附了灰尘以及有害病菌的粘液送到鼻咽部排出；再比如说输卵管上皮细胞的纤毛，将可引导卵细胞以及受精卵到达子宫。

呼吸道上皮细胞的纤毛驱动黏液移向咽部（翻译自wikipedia.org）

更比如说就是我们曾经说过的胚胎左-右形成，也是与动纤毛带动液体流动有关。关于生物的对称性，我们知道，低等生物中有很多是属于左右对称甚至中心对称的。但是对于我们人类而言，尽管我们表面看上去是左右对称的，但事实上我们的不对称性主要存在于皮层下的内脏组织。

自然界的生物存在着不同形式的对称性（wikipedia.org）

这方面的例子可以举出很多很多：心脏、胃和脾脏都只存在于我们身体的左侧，肝脏则位于我们的右侧；肺脏尽管左右都有，但事实上左、右肺的肺叶数目是不一样的；我们的肠子是不对称的，我们的大脑在形态和功能上也是不对称的……

人体的内脏组织存在着诸多不对称现象（翻译自wikipedia.org）

造成这种现象的原因是什么？其实一开始的时候，我们的胚胎都是对称的，而一直到第六周的时候，那时虽然表面上看上去还是左右对称，但实质在基因表达和蛋白层面，胚胎左右的构成已经出现差异。

这个差异的出现，源自于胚胎中轴线上的一个小「疤痕」，也称之为「节点」（Node）。在这个节点上的细胞，每一个都长着一根单一纤毛，这些纤毛都是可以运动的纤毛。不过他们的运动可不是无规律的摆动，而是集体向左倾斜，进行顺时针式的转动，就像是一个个的小螺旋桨。几百根纤毛的集体转动，带动并引起了节点表层明显的左向液流。而这个流动信号，就会被节点左侧细胞上的纤毛所感知——这些纤毛不像前者可以运动，它们属于非运动纤毛，具有「感知」功能，具体详见后节——并启动左侧细胞的相关信号通路及蛋白表达。从此，左右的不对称就这样悄然产生了。

胚胎节点的纤毛（参考文献 [2]）

节点处的纤毛集体转动，产生左向的液流（参考文献 [3]）

所以，可以想象，如果全身的运动纤毛出了问题，会造成多么严重的后果。

这里的出问题，来源可以有很多，只要能影响到运动纤毛的摆动或者造成它功率下降的因素都有可能，所以说基因改变使得包括纤毛的外动力蛋白、内动力蛋白、连接蛋白、中心束等等，无法发挥正常功能，影响了纤毛运动的，都能导致全身性的病变。

这种全身性的纤毛病，它可能导致的症状有很多：

1、慢性支气管炎、鼻窦炎、肺不张、咽鼓管炎等——呼吸道纤毛受损导致粘液无法清除；

2、男性不育、女性不孕或者宫外孕——精子运动能力下降、输卵管输送卵细胞或者受精卵的功能下降；

3、脑水肿——脊髓内纤毛运动受损致脑脊液循环流动受阻；

4、内脏逆位（镜面人）——节纤毛受损

5、……

内脏异位（https://www.rndsystems.com/cn/resources/articles/tgf-beta-ligands-left-right-development）

当然，以上的症状也不会每一种都同时出现，这视乎到底是哪一个（多个）蛋白质发生了问题，以及对运动纤毛造成受损的影响有多少而定。

非运动纤毛——天线？

纤毛除了可以作为一个细胞运动的「器官」，另一方面，它也可以是细胞感觉的「器官」，而行使这一功能的往往则是非运动纤毛。

（运动纤毛当然也可以进行某一方面的「感受」功能，比如说呼吸道上皮细胞的纤毛，还能感受某些有毒化合物，然而这一功能与后述关于非运动纤毛的感觉功能有着很大的区别，所以我们讨论感觉纤毛的时候，更多的还是指非运动纤毛）

所以我们可以看到，在我们的视觉、听觉、嗅觉等感觉传导的构成里，都有非运动纤毛参与到了其中：视网膜传导光信号的视锥和视杆细胞中，纤毛起到了传导和连接的作用；在人类内耳蜗管中有许多的毛细胞，这些毛细胞上遍布着纤毛，它们可以感受到因声音不同而导致蜗管内液体压强的变化，从而产生听觉；至于嗅觉的产生同样离不开嗅觉感受器上的纤毛。

嗅觉感受器细胞上的纤毛（wikipedia.org）

这些非运动纤毛由于缺乏了动力蛋白和中心微管束，因而不能进行自主的摆动或者摇动，很长一段时间它们都没有受到足够的重视。事实上，这些非运动纤毛的质膜上分布着许多跨膜受体，它们能够被不同的外界信号所激活。因此，这也正是非运动纤毛能够「感知」外界信息的原因。

所以，如果出现问题的是非运动纤毛，那么导致的后果往往会更加的复杂。

除了可能会影响到视力、听力、嗅觉等，引起失明、失聪、嗅觉缺失之外，非运动纤毛由于同时还与多条重要的信号通路相关，因而如果发生异常，往往还会导致机体发育及相关生理功能受损，产生如颅面部畸形、多指（趾）、糖尿病、肥胖甚至肿瘤等。另一方面，非运动纤毛受损导致的钙离子通道异常，还有可能会导致多囊肾的产生，尽管其中的具体机制仍未十分清楚。

运动纤毛与非运动纤毛结构与功能的总结（翻译自参考文献 [4]）

纤毛病的致病基因

正如上文所分别提到的，凡是与运动纤毛或者感觉纤毛结构与功能相关的基因，都有可能是纤毛病的致病基因。至今，科学家们已经发现了187个可以导致纤毛病的基因，并有另外241个与纤毛的结构和功能相关，其缺陷也同样有可能会致病的基因。

其中，之所以现在还不能肯定这些纤毛基因与纤毛病的直接联系，除了尚未发现或者症状轻微、有替代基因等原因之外，还有可能是因为这些基因的功能十分重要，以至于一突变就会造成胚胎死亡，形成流产，因而这样的患者根本不会出生，也就观察不到这样的病例。

还有一点就是，在结构上，由于运动纤毛与非运动运纤毛有着不少的共同之处，所以也存在着某些基因的突变会造成两种纤毛同时受损，导致更大面积的全身性症状；而在功能上，两种纤毛也存在着相互协调，所以运动纤毛和/或非运动纤毛的受损，都有可能是先天性心脏病、内脏异位等疾病（症状）的原因。