【科普】纖毛——細胞的“船槳”與“天線”
我們知道
，正常人體內的器官分布並非左右完全對稱
，如心髒偏向身體的左側
，肝位於右側
。但在人群中存在著這樣一些罕見的案例
，他們某一個或一些器官的位置恰好與正常人相反
，這在醫學上稱之為“內髒逆位”（圖1）
。是什麽造成內髒逆位的發生呢
？這就要說到本文的主角——纖毛
。
01什麽是纖毛
纖毛 ，單看這個名字 ，就知道它是個“小家夥” 。沒錯 。纖毛（Cilia） ，是指真核細胞表麵由細胞膜覆蓋的 、由微管構成的軸絲狀結構 。其發現最早可追溯到17世紀荷蘭科學家Leeuwenhoek所觀察到原生動物表麵的觸須樣結構。隨著顯微鏡技術不斷發展, 人們發現纖毛在真核生物細胞表麵廣泛存在（圖2） 。從低等的原生生物的運動纖毛到鞭毛蟲和精子的鞭毛 ，從脊椎動物氣道表麵的成簇纖毛到線蟲尾部的感覺纖毛 ，纖毛在不同的細胞中發揮著不同的功能 。
02 纖毛的結構與分類
纖毛主要由基體 、軸絲 、纖毛膜及纖毛基質構成（圖3） 。其中基體錨定在細胞膜上，參與纖毛的發生 ；軸絲則由規則排列的微管及其附屬蛋白組成 ，以基體為組織中心向外延伸 ，形成纖毛的主體骨架 ；纖毛膜由細胞膜延伸而來 ，包被著軸絲 ，其上存在一些特定的信號受體分子 ，能夠參與細胞外信號的接收 ；在軸絲與纖毛膜之間還填充著纖毛基質 。
作為纖毛的核心部分 ，軸絲的橫切麵呈現出一種獨特的結構 ：9+2型運動纖毛中間為兩根平行的中央微管 ，外圍為9組平行的雙聯體微管 ；相鄰的外周雙聯體微管由連接蛋白和參與微管運動的動力臂相連 ，並通過放射輻條和中央微管相互作用 。整個軸絲呈現出類似車輪樣的結構 ，這與其發揮結構支撐或運動的功能相適應 。
圖3 纖毛的基本結構
依據軸絲有無中央微管 ，纖毛可以分為9+2型和9+0型（圖4）。其中 ，9+2型纖毛含有2條中央微管以及輻條 、動力臂和連接蛋白等結構 ，一般具備運動功能 ，因此也稱為運動纖毛 。典型的例子有哺乳動物呼吸道內的運動纖毛 、精子的鞭毛等 ；而9+0型纖毛沒有中央微管和動力臂等運動相關結構 ，主要發揮信號接收傳導的作用 ，不參與纖毛運動 ，故稱為不動纖毛或初級纖毛 。膽管細胞纖毛 、胰管纖毛 、視網膜中光受體連接纖毛等均屬於不動纖毛 。
03 纖毛的功能——“船槳”與“天線”
結構決定功能 ，纖毛獨特的結構與其發揮的具體功能是相適應的 。
運動纖毛 ，它可以是某些細胞本身的運動器官 ，最典型的例子是鞭毛蟲和精子依靠鞭毛推動自身前進 ；某些細胞自身並不運動 ，但可以利用動纖毛帶動周圍的液體進行流動 ，如輸卵管纖毛參與卵子的運輸 ，脊髓纖毛參與腦脊液的循環 ，而呼吸道上皮細胞的纖毛 ，則可以通過擺動把粘附了灰塵以及有害病菌的黏液送到鼻咽部繼而通過咳嗽排出（圖5） 。運動纖毛就像細胞的“船槳” ，可以推動自身或周圍液體的運動 。
在文章開頭 ，我們曾提到內髒逆位是由於運動纖毛的功能異常引起的（圖6） 。目前研究表明 ，在脊椎動物胚胎發育的早期 ，胚胎中軸線上存在一個稱為“節點”的特殊區域 。節點上每個細胞都長著一根可以運動的纖毛 ，它們集體向左傾斜 ，像螺旋槳一樣進行轉動 ，帶動節點表層流體向左流動 。而這個流動信號會被節點左側細胞上的纖毛所感知 ，從而隻在這一側啟動相關信號通路 ，胚胎的左右不對稱發育就這樣產生了 。也就是說 ，如果節點處的纖毛發生運動障礙 ，就會導致內髒逆位這種發育異常的產生 。
圖6 內髒逆位的發生機製[2] [3]
關於不動纖毛 ，早期人們認為其僅僅是細胞表麵退化的無功能附屬結構 ，但近些年的研究表明不動纖毛表麵分布著許多跨膜受體 ，其基質中存在大量信號通路傳導的相關分子 ，因此能夠參與細胞對多種胞外信號的感知和轉導 。一些不動纖毛可以作為細胞的“天線” ，參與氣味 、聲音 、光 、機械力等胞外信號的感知 ，如嗅覺感受器上的纖毛就有大量嗅覺相關的受體 ，可以接受氣味兒分子的刺激傳導嗅覺信號（圖7） 。另一些細胞表麵的非運動纖毛還可以通過Hedgehog 、Notch 、TGF-β 、Ca2+等信號通路參與調控細胞的分化 、發育和增殖 。
04 與纖毛相關的疾病
纖毛的功能如此重要 ，因此凡是能影響纖毛結構 、功能和穩態的缺陷都會導致纖毛相關的疾病 。
目前科學家已經發現了187個可以導致纖毛病的基因 ，已經發現的纖毛疾病大概有35 種 ，其中運動纖毛異常通常會導致“原發性纖毛運動障礙綜合症”（PCD） ，其典型症狀包括不育 、腦積水和呼吸道疾病等 ；而不動纖毛主要導致感覺發育障礙 、腦發育異常以及多囊腎等疾病 。兩種纖毛異常均會導致內髒逆位的發生 。而且由於纖毛相關疾病一般為遺傳性 、係統性疾病 ，目前臨床上根治的辦法很有限 ，治療主要以緩解症狀為主 。
圖8 纖毛相關疾病[4]
隨著超高分辨率成像技術和冷凍電鏡等技術手段的進步 ，近年在纖毛發育 、纖毛的運動機製 、纖毛內物質運輸等關鍵科學問題不斷取得新的突破 ，而不斷迭代更新的CRISPR基因編輯技術也有望為纖毛相關疾病的治療帶來曙光 。
參考文獻
以上文章摘自網絡
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