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細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)組裝在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。作為聽覺神經(jīng)系統(tǒng)重要的機(jī)械感受元件，靜纖毛（stereocilia）是耳毛細(xì)胞（haircell）頂端特化的富含F(xiàn)-actin的毛狀結(jié)構(gòu)，在機(jī)械力電轉(zhuǎn)導(dǎo)（mechanoelectrical transduction, MET）過程中發(fā)揮了重要作用。成熟的靜纖毛呈三層階梯狀排列，較低兩層的靜纖毛頂端具有機(jī)械力門控離子通道（圖1）。聲波（機(jī)械振動(dòng)）使較低層的靜纖毛向較高層位移，較低層頂端的離子通道打開，產(chǎn)生生物電信號(hào)，進(jìn)一步通過神經(jīng)纖維傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，從而產(chǎn)生聽覺。因此，靜纖毛的細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)組裝以及階梯狀排布發(fā)育過程是聽覺產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

研究表明，靜纖毛頂端的電子致密區(qū)（Tipcomplex density，TCD）在靜纖毛發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵功能。TCD富含大量蛋白質(zhì)，如Whirlin、Eps8、Eps8L2、Myo15、Gpsm2、Gαi等，這些蛋白形成相互作用網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控靜纖毛的發(fā)育。編碼這些蛋白的基因缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠靜纖毛頂端TCD的分布分散且不規(guī)則并伴隨著F-actinbundle的減少，靜纖毛形態(tài)異常，聽力受損。然而，靜纖毛發(fā)育中的許多關(guān)鍵科學(xué)問題仍有待解決，如靜纖毛階梯狀排布的分子機(jī)制是什么？各層靜纖毛的形態(tài)特征（如高度、直徑等）的內(nèi)在決定因子是什么？

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部王朝教授課題組與上海交通大學(xué)Bio-X研究院朱金偉教授課題組合作在ScienceAdvances雜志在線發(fā)表題為Promotion of row 1–specific tip complex condensates by Gpsm2-Gαi provides insights into row identity of the tallest stereocilia的研究論文，揭示了特異定位于第一層靜纖毛頂端的Gpsm2-Gαi復(fù)合物定義最高層靜纖毛特征的分子機(jī)制，為闡明靜纖毛階梯狀排布的內(nèi)在機(jī)理提供了基礎(chǔ)。

近年研究表明，靜纖毛階梯狀發(fā)育機(jī)制與平面細(xì)胞極性（planarcellpolarity）信號(hào)通路密切相關(guān)。細(xì)胞極性相關(guān)Gpsm2-Gαi復(fù)合物在發(fā)育過程特異定位于第一層靜纖毛頂端，在定義最高層靜纖毛過程發(fā)揮作用，但分子機(jī)制不明。研究團(tuán)隊(duì)首先研究了Gpsm2-Gαi復(fù)合物介導(dǎo)的蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的分子機(jī)制，揭示了Gpsm2-Whirlin復(fù)合物的詳細(xì)相互作用機(jī)理和三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)Whirlin通過一段保守的多肽序列GBD（Gpsm2 binding domain）結(jié)合Gpsm2的TPR結(jié)構(gòu)域（圖1）。

圖1. Gpsm2-Whirlin復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)

有趣的是，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)Gpsm2在細(xì)胞內(nèi)及體外均能自發(fā)形成液-液相分離（liquid-liquid phase separation）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Gpsm2的TPR結(jié)構(gòu)域和GoLoco結(jié)構(gòu)域之間的富含Lys殘基的loop區(qū)域（poly-Kloop）對(duì)其相分離形成至關(guān)重要。鑒于團(tuán)隊(duì)前期的工作中發(fā)現(xiàn)Whirlin-Eps8-Myo15復(fù)合物也能夠形成相分離介導(dǎo)的凝聚體，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Gpsm2形成的凝聚體能夠與Whirlin-Eps8-Myo15凝聚體融合（圖2）。

圖2.五元復(fù)合物TCD凝聚體具有更強(qiáng)的促進(jìn)F-actin成束能力

更為重要的是，Gpsm2可以通過自身相分離進(jìn)一步促進(jìn)Myo15a-Eps8-Whirlin-Gpsm2-Gαi五元TCD凝聚體的形成（圖2）。研究團(tuán)隊(duì)通過體外F-actin交聯(lián)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，五元TCD相較于三元TCD（Whirlin-Eps8-Myo15）具有更強(qiáng)的F-actinbundling活性，提示特異定位于第一層靜纖毛頂端的Gpsm2-Gαi可能通過進(jìn)一步促進(jìn)頂端致密區(qū)蛋白復(fù)合物的相分離來促進(jìn)第一層頂端TCD凝聚體組裝，從而富集更多的細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)因子（包括但不僅限于Eps8和Myo15等）使第一層靜纖毛的F-actin細(xì)胞骨架比較低層靜纖毛（不含有Gpsm2-Gαi）發(fā)育得更高，最終定義第一層靜纖毛為最高層靜纖毛。最后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在Chudley-McCullough綜合征患者中篩查到的疾病突變Gpsm2_R318RfsX8通過影響五元TCD的組裝減弱其F-actinbundling的能力，導(dǎo)致患者耳毛細(xì)胞中靜纖毛發(fā)育異常，從而為Chudley-McCullough綜合征提供了可能的發(fā)病機(jī)制（圖2）。

綜上，本項(xiàng)研究綜合利用分子生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法，闡釋了Gpsm2-Gαi定義最高層靜纖毛特征的分子機(jī)制，為未來聽力損失相關(guān)患者的診療提供了潛在的新思路（圖3）。

圖3.最高層特異定位的Gpsm2-Gαi通過促進(jìn)頂端凝聚體形成介導(dǎo)靜纖毛細(xì)胞骨架發(fā)育

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生時(shí)英東與上海交通大學(xué)助理研究員林霖為該論文的共同第一作者，王朝教授與朱金偉教授為論文的共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為第一完成單位。該研究工作獲得了細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科大雙一流學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)、微尺度國(guó)家研究中心、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部等項(xiàng)目支持。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn4556

（細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微尺度國(guó)家研究中心、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）