iScience︱清华大学潘俊敏课题组揭示IFT-B复合体的组装和稳定的新机制及其在BBSome运输中的新功能

撰文︱王介玲，潘俊敏责编︱王思珍，方以一编辑︱杨彬薇

纤毛/真核生物的鞭毛是一类衍生于中心体并突出于细胞表面的古老细胞器，广泛分布于自然界的真核生物中。在人体中，纤毛存在于几乎所有类型的细胞中[1]。不同物种的纤毛在长度和数量等方面有所不同，但是其基本结构和蛋白质组成十分保守。研究发现纤毛在多种生理过程中发挥功能，包括运动、知觉感知、信号传导和调控细胞周期等，对维持生物体的正常生理和发育至关重要[2-4]。因此，纤毛的结构或功能缺陷往往导致多种疾病或发育异常，包括多囊肾病、视网膜色素变性征、内脏反转、多指（趾）、骨骼发育异常、不育、脑积水，以及各种综合征如不动纤毛综合征、巴德-毕德尔综合征(Bardet-Biedl Syndrom, BBS)等，该类疾病被统称为“纤毛相关疾病”[5]。

纤毛的组装、维持和发挥功能都依赖于一种特殊的运输系统即“鞭毛内运输”（intraflagellar transport，IFT），细胞通过IFT将胞质合成的蛋白运送至纤毛组装的位点或纤毛顶端，参与纤毛的组装或维持，同时将周转的蛋白运回胞体[6, 7]。IFT蛋白机器包括正向马达蛋白kinesin-II、反向马达蛋白IFT dynein和连接货物蛋白的IFT-A复合体、IFT-B复合体和BBSome[8, 9]。其中IFT-B在正向运输（从纤毛基部到顶端）中分别连接kinesin-II、IFT dynein和IFT-A，并在反向IFT运输中参与BBSome运输，是IFT蛋白机器的核心组分[10-13]。IFT-B与马达蛋白kinesin-II相偶联以及参与调控BBSome运输的机理不甚清楚。此外，IFT-B包含有两个亚复合物IFT-B1和IFT-B2，其分别由10个和6个亚基组成，一个重要的科学问题是IFT-B复合体在细胞内如何进行组装和保持稳定的。

2022年11月4日，清华大学生命学院潘俊敏教授课题组在iScience上在线发表了题为“Assembly and stability of IFT-B complex and its function in BBSome trafficking”的研究。本研究利用模式生物衣藻作为模型进行科学探索，该研究首先发现IFT38参与了IFT-B与马达蛋白kinesin-II的互作，从而调控IFT的正向运输；揭示了IFT38介导了BBSome在纤毛中反向运输，即从纤毛顶端到胞体的运输，从而解析了BBSome运出纤毛的分子机制；利用不同的IFT-B亚基的突变体，系统研究了不同IFT-B亚基对IFT-B复合体的稳定性的影响，揭示了不同亚基对复合体稳定性的特异性作用，以及IFT-B1和IFT-B2对彼此的稳定性互作依赖，最终揭示了IFT-B复合体是通过模块化组装模式而形成的。

IFT是一个极其复杂、被精密调控的高度动态过程，其发挥功能需要由多种蛋白所组成的多个复合体，而这些复合体本身又由不同的亚复合体组成，分别起到连接马达蛋白和货物蛋白进行组装或解聚纤毛的作用。其中，IFT-B在介导IFT火车形成和纤毛发生中起到基石作用，因此研究IFT-B能够极大地提升人们对IFT的理解。本研究以IFT-B亚基IFT38入手，发现ift38-1突变体完全不能组装纤毛，说明IFT38对于纤毛组装是必需的。通过进一步对IFT38的功能结构域进行截短分析得出，IFT38的coiled-coil结构域主要负责结合其他IFT-B蛋白从而介导IFT-B复合体组装，而C端区域则参与调控正向IFT并在介导BBSome的反向运输中发挥功能（图1）。

图1 IFT38的功能示意图

（图源： Wang, et al., iScience, 2022）

接着，本研究利用插入突变和基因编辑技术得到所有IFT-B2亚基突变体和六株纤毛发生严重缺陷的IFT-B1亚基突变体，对IFT-B亚基之间在稳定性方面的相互影响进行系统性分析。结果发现，不同亚基对IFT-B稳定性的贡献是不同的，其中IFT80对于维持IFT-B蛋白的稳定性最为重要（图2）。另外，IFT-B1和IFT-B2的稳定性相互依赖，并且由连接IFT-B1和IFT-B2的四聚体IFT38/57/52/88所介导。

图2 IFT-B稳定性的系统性分析

（图源：Wang, et al., iScience, 2022）

那么，IFT-B1和IFT-B2的稳定性相互依赖是否由于二者在组装过程相互依赖？通过对ift38-1和ift52-1突变体中IFT-B形成情况分析发现，IFT-B1和IFT-B2亚复合体可以分别相对独立形成，而被破坏的IFT-B2或IFT-B1则分离为更小的亚复合体（图2）。结合过去报道的体外证据和本研究的体内证据，作者提出新生的IFT-B复合体在细胞内以模块化方式进行组装。

图3 ift38-1和ift52-1突变体中的IFT-B复合体分析

（图源： Wang, et al., iScience, 2022）

图4 IFT-B复合体的组装、稳定性和功能示意图

（图源： Wang, et al., iScience, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，本研究从IFT-B亚基IFT38入手，发现IFT38是一个关键的IFT-B亚基，不仅介导IFT-B复合体的组装及稳定性，还参与调控正向IFT和BBSome的反向运输。另外，本研究利用12株IFT-B亚基突变体对IFT-B的稳定性和组装方式进行了系统性探究，发现IFT-B1与IFT-B2可以分别独立形成但稳定性却相互依赖，说明二者可能只有形成完整的IFT-B才能在细胞内稳定存在并发挥功能。该结果为理解IFT-B复合体本身的特性及其在纤毛发生中的调控功能提供了新视角。但值得注意的是，IFT38如何调控kinesin-II以及介导BBSome反向运输的具体机制仍需要进一步探究。另外，作者结合本研究中的蔗糖密度梯度离心结果和文献报道的相关数据提出IFT-B以模块化方式进行组装的模型，但IFT-B复合体在体内组装的精确顺序仍是未知的，接下来借助基于定量质谱的Complexome Profiling分析可能能够回答这个问题。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222017655

清华大学生命学院潘俊敏教授为本文的通讯作者，清华大学生命学院博士生王介玲为第一作者，课题组其他成员朱欣、王正茂、李学成和陶慧也参与了部分工作。本研究得到国家自然科学基金(31991191, 31972888)的资助。

通讯作者：潘俊敏（后排右一）；第一作者：王介玲（后排左一）

（照片提供自：潘俊敏课题组）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 潘俊敏，清华大学生命学院教授，博士生导师。青岛国家海洋实验室客座教授。现任中国藻类学会副理事长，eLife等杂志的编委。主要从事纤毛生物学与微藻技术的开发和利用，在PNAS、Development Cell、Current Biology、EMBO JOURNAL、elife等国际知名期刊发表多篇研究论文。

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参考文献（上下滑动阅读）

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本文完