細(xì)胞內(nèi)測(cè)量長(zhǎng)度的蛋白質(zhì)

細(xì)胞內(nèi)測(cè)量長(zhǎng)度的蛋白質(zhì)
你是否能測(cè)量奈米大小的長(zhǎng)度呢?奈米是毫米的百萬(wàn)分之一，比頭發(fā)尖端更微細(xì)，無(wú)法徒手測(cè)量。在人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)，具有無(wú)數(shù)固定長(zhǎng)度或大小的構(gòu)造，細(xì)胞合成這些構(gòu)造時(shí)，究竟是如何測(cè)量它們的長(zhǎng)度呢? 有研究者提出奈米分子尺規(guī)假說(shuō)，認(rèn)為存在固定長(zhǎng)度的蛋白質(zhì)作為奈米分子尺規(guī)(簡(jiǎn)稱(chēng)奈米尺)，來(lái)調(diào)控這些構(gòu)造的長(zhǎng)度。雖過(guò)去研究指出較為原始的原核生物如細(xì)菌或病毒等具有奈米尺，但仍不知高等生物如人類(lèi)是否也有奈米尺。

日本東京大學(xué)醫(yī)學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)，使用超低溫電子顯微鏡首次證實(shí)高等生物也有奈米尺，分布于人體氣管、精子、輸卵管、及腦室細(xì)胞的絲狀結(jié)構(gòu)纖毛或鞭毛中以維持機(jī)能運(yùn)作，研究結(jié)果2014年11月刊載于科學(xué)期刊Science。

纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu)幾乎相同，其長(zhǎng)度數(shù)微米至數(shù)十微米，粗細(xì)200奈米左右，是一種非常微細(xì)的細(xì)胞突出絲狀構(gòu)造，能藉形成水波引發(fā)液體流動(dòng)。例如：精子擺動(dòng)尾部的鞭毛以向前移動(dòng)；纖毛擺動(dòng)可排出進(jìn)入氣管內(nèi)的異物、協(xié)助卵子在輸卵管內(nèi)前進(jìn)、引發(fā)大腦內(nèi)腦脊髓液的流動(dòng)等。纖毛運(yùn)動(dòng)是由動(dòng)力蛋白dynein驅(qū)動(dòng)，dynein以96奈米為單位，以相同重復(fù)結(jié)構(gòu)整齊排列。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，告知細(xì)胞96奈米長(zhǎng)度的物質(zhì)是FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體-奈米尺。

Kartagener病患的纖毛無(wú)法正常擺動(dòng)。已知FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體變異缺少，是Kartagener病癥的主要致病原因，但不知為何缺少此蛋白復(fù)合體，纖毛擺動(dòng)就出現(xiàn)異常。為解開(kāi)其機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)使用超低溫電子顯微鏡，觀察該蛋白復(fù)合體缺損的纖毛構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)上述96奈米為單位，相同的重復(fù)結(jié)構(gòu)完全消失。故認(rèn)為FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體，可能作為96奈米尺，維持機(jī)能運(yùn)作。

若FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體真的作為奈米尺，當(dāng)它的長(zhǎng)度改變，細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)也應(yīng)會(huì)產(chǎn)生變化。果然，藉由基因操控，將FAP59及FAP172蛋白復(fù)合體長(zhǎng)度變長(zhǎng)，成功制造出自然界不存在、120或128奈米為單位的重復(fù)結(jié)構(gòu)。也發(fā)現(xiàn)它不僅扮演奈米尺的角色，也決定動(dòng)力蛋白dynein的排列順序。通常，96奈米的重復(fù)結(jié)構(gòu)， A至G共7種動(dòng)力蛋白dynein，以A-B-C-E-G-D-F的順序排列，但若操控奈米尺基因，則能制造出A-B-C-E-C-E-G-D-F或A-A-B-C-E-G-D-F-F的人工蛋白質(zhì)序列。利用奈米尺特性，有希望能任意配置動(dòng)力蛋白的排列順序，制造出人工的奈米機(jī)器。

纖毛運(yùn)動(dòng)不全所造成的Kartagener病癥，是相當(dāng)嚴(yán)重的疾病。若纖毛無(wú)法擺動(dòng)，氣管無(wú)法排出異物而易導(dǎo)致肺炎；精子無(wú)法運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致不孕；腦脊髓液滯留在腦室會(huì)導(dǎo)致腦水腫；或心臟與肝臟的位置相反，造成內(nèi)臟異位，導(dǎo)致畸型。該研究發(fā)現(xiàn)這些Kartagener病癥，都是因纖毛的奈米尺缺損導(dǎo)致dynein蛋白質(zhì)機(jī)能異常。

1.動(dòng)力蛋白 : motor protein，細(xì)胞中本身可以運(yùn)動(dòng)的蛋白質(zhì)。例如使纖毛擺動(dòng)的dynein，腦或神經(jīng)中調(diào)控物質(zhì)搬運(yùn)的kinesin，使肌肉運(yùn)動(dòng)的myosin。

2.超低溫電子顯微鏡 : 將細(xì)胞或生物體內(nèi)分子瞬間凍結(jié)，使用高解析電子顯微鏡直接觀察的方法。

3.內(nèi)臟異位 : 小鼠內(nèi)臟的左右位置，受到胚胎發(fā)育初期的原結(jié)活動(dòng)所決定。后來(lái)透過(guò)電子顯微鏡及高速視訊顯微鏡觀察數(shù)種脊椎動(dòng)物胚胎，發(fā)現(xiàn)原結(jié)周邊的纖毛，高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生水流，會(huì)決定內(nèi)臟的左右位置。Kartagener病患因纖毛異常，易產(chǎn)生內(nèi)臟異位，導(dǎo)致畸型。