纖毛（Cilia）是真核細胞表面普遍存在的毛發狀細胞器，分為靜纖毛和動纖毛兩大類。靜纖毛作為信号感受器，動纖毛則通過擺動驅動細胞運動和周圍液體流動，參與呼吸道清潔、腦脊液循環等生理過程，其功能障礙會引發多種遺傳病，包括發育異常、慢性呼吸道感染、腦積水和不孕不育等，統稱為原發性纖毛運動障礙。纖毛相關的核心結構包括基體（BB）、軸絲和過渡區（TZ）。基體由九組三聯體微管（TMT）組成旋轉對稱的桶狀結構，在哺乳動物多纖毛細胞中主要在搖籃體（deuterosome）上發生。軸絲由基體延伸，形成9組二聯體微管（DMT）。運動纖毛的軸絲通常還有一對中央微管（CP），因而呈現 “9+2”結構。過渡區位于軸絲基部，與纖毛膜共同形成控制分子進出的屏障。

2025年7月1日，郭強課題組與合作者在《Nature Communications》發表了題為“In situ cryo-electron tomography reveals the progressive biogenesis of basal bodies and cilia in mouse ependymal cells”的研究論文。該研究以哺乳動物多纖毛細胞中的小鼠腦室管膜細胞（mEPCs）為模型，借助冷凍光電聯用技術（cryo-CLEM）、冷凍聚焦離子束（cryo-FIB）和冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術，通過熒光标記定位搖籃體蛋白Deup1，首次在細胞内原位捕獲多纖毛發生的動态全景（圖1），解析了基體與軸絲的組裝過程，并揭示了微管内部蛋白（MIP）的時序性結合，為理解多纖毛發生和成熟的機制提供了新的見解。

圖1. mEPCs内通過搖籃體依賴途徑形成的基體生成（a-b）和纖毛形成過程（c-d）

借助子斷層平均技術，研究團隊将基體結構解析至亞納米分辨率，并将基體沿軸向劃分為三個結構域。其中，近端區域與基體形成所需的車輪（cartwheel）結構關聯，中間和遠端區域由内支架穩定，且遠端區域TMT的C管原絲從C10逐步丢失，最終形成僅含6根原絲的不完整結構。而且，一個由27根棒狀結構（27 rods）組成的環形結構在基體近端區域組裝完成後出現，且在TMT延伸過程中持續定位于基體遠端，并成為基體TMT與軸絲DMT的明确邊界。

有趣的是，通過結構比較，本研究發現TMT與未成熟DMT微管腔内存在一個新的蛋白，通過建立一種基于AlphaFold2結構預測與電子密度匹配打分的蛋白質鑒定方法，研究團隊鑒定出一個新的微管内部蛋白CEP41，它在基體中持續定位于B02和C02原絲，而在軸絲中則随纖毛發生與成熟呈現動态分布：從覆蓋全軸絲到聚集軸絲遠端，最終定位在軸絲亞遠端區域。CEP41缺失會抑制多纖毛形成并縮短纖毛長度，表明其對多纖毛成熟有關鍵調節作用。而且，研究人員發現纖毛成熟還伴随着MIPs周期性排布的重塑。盡管基體和過渡區處的MIPs保持8 nm周期性，過渡區之上的軸絲微管内部蛋白NME7和CEP41卻随纖毛成熟逐步脫落，而PACRG等蛋白質則逐步組裝，最終形成經典的48 nm周期。

圖2. 基體發生與纖毛形成的調控模型

綜上所述，該研究提出“基體—纖毛四階段組裝模型”（圖2）：基體起始、基體成熟（27 rods界定遠端）、過渡區形成（TMT向DMT轉換）及纖毛逐步成熟（MIPs周期性重塑）。這一模型填補了哺乳動物多纖毛發生過程中的結構空白，描繪了從基體發生到纖毛形成這一動态過程，有助于深入理解纖毛的結構與功能，并為探索纖毛病的發病機制及潛在治療靶點提供了理論依據。

北京大學馬山山博士、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心博士生李娈、北京大學博士生李智勳、駱申家和浙江大學劉琦博士為該研究的共同第一作者。北京大學郭強研究員、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心朱學良研究員和浙江大學桂淼研究員為該研究的共同通訊作者。該工作中冷凍電鏡樣品制備和數據采集在北京大學冷凍電鏡平台完成，數據處理獲得了昌平實驗室冷凍電鏡平台的硬件和技術支持。該研究得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、浙江省自然科學基金、良渚實驗室、昌平實驗室和生命科學聯合中心等的資助。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61015-6