纖毛（也稱鞭毛）是突出于真核細胞表面的一類在進化上很保守的細胞器， 由纖毛膜、軸絲及其底部的基體組成。 纖毛廣泛分布于原生動物及脊椎動物細胞表面， 負責感受內外環境信號以及驅動細胞運動。 在哺乳動物特別是人類中， 纖毛結構和功能的異常能導致多囊腎， 神經系統發育缺陷， 聽覺、嗅覺和視覺的衰退， 呼吸道疾病和不育癥等， 這些疾病統稱為纖毛病， 其發病率在1/1000左右。 目前還沒有治療纖毛病的藥物， 所以對纖毛的生物學及纖毛病的發病機制的研究是目前細胞生物學的一個熱點。
纖毛是一類極性化細胞器， 它的形成和解聚與細胞周期密切相關。 當細胞退出有絲分裂， 進入靜息期（G0）時， 中心體遷移至細胞頂端， 形成基體， 隨后微管在基體上組裝形成纖毛。 細胞返回有絲分裂前，纖毛解聚， 在G1/S階段， 纖毛完全消失， 中心粒被釋放， 形成微管組織中心促使紡錘體生成。 纖毛的形成和解聚與細胞周期之間是否存在著因果關系目前還不清楚， 但由于纖毛中存在著與細胞周期相關的信號通路， 通過改變纖毛的形成和解聚的速度然后影響細胞周期的進程是可能的。 以前的工作大多數集中在纖毛的形成機理上， 潘俊敏教授從 2004 年就開始關注纖毛解聚的分子機理， 發現了衣藻中類似aurora 的蛋白激酶 CALK（Chlamydomonas aurora-likekinase）和 kinesin-13（CrKin13）參與纖毛的解聚， 并利用 反 向 鞭 毛 內 運 輸 機 制 （retrograde intraflagellartransport） 將纖毛解聚的產物由纖毛中運回到細胞體[1~3]. 最近潘俊敏教授實驗室在衣藻中篩選得到纖毛解聚突變體 fls1, 提出纖毛解聚分為依賴 FLS1 的解聚階段和不依賴 FLS1 的解聚階段， 該研究改變了纖毛解聚的傳統理論[2].
單細胞衣藻是研究纖毛的經典模式生物， 衣藻鞭毛解聚不僅發生在有絲分裂和減數分裂之前， 也可受外源信號（如 NaPPi）誘導。 fls1 突變體是通過插入誘變篩選得到， 其基因編碼一種蛋白激酶。 野生型鞭毛經 NaPPi 誘導 3 h 后解聚消失， 但 fls1 鞭毛此時僅縮短至全長的一半， fls1 鞭毛完全解聚需要 4.5 h.野生型鞭毛解聚的速度恒定為 0.068 ?m/min, 而 fls1鞭毛的解聚分為兩個階段， 前 3 h 的解聚速度為0.029 ?m/min, 3 h 后解聚速度恢復至 0.077 m/min.
同樣在有絲分裂前， fls1 的鞭毛解聚也表現為兩個階段， 第一階段鞭毛解聚速度僅為 0.08 ?m/min, 當鞭毛縮短至一半以后， 解聚速度恢復至野生型水平， 該突變體的有絲分裂周期也較野生型延遲約 2 h. 基于上述分析， Hu 等人認為鞭毛解聚過程依據鞭毛長度分為兩個階段， FLS1 在前一階段的解聚中發揮功能[2].這些結果也表明通過改變纖毛解聚的速度來影響細胞周期的進程是可能的。
FLS1 蛋白在結構上與哺乳動物細胞周期蛋白依賴性類似激酶 CDKL（cyclin-dependent kinase-like）亞家族相似， 具有與 cyclin 結合的結構域。 免疫熒光顯示， FLS1在鞭毛的基體附近有聚集， 在鞭毛內也有分布。 當 NaPPi 處理 5 min 或者正負配子混合 3 min,FLS1 即發生磷酸化， 而此時鞭毛還未觀察到明顯的縮短跡象， 說明 FLS1 的磷酸化是對誘導解聚的初始信號做出的響應。 野生型胞體內激酶 CALK 在 NaPPi處理 10 min 內即發生磷酸化， 而在突變體 fls1 中CALK 在 90 min 后鞭毛縮短至 10 ?m 時才被磷酸化，說明 FLS1 可能作用于 CALK 的上游。 另一方面， 野生型鞭毛縮短時， CrKin13 會立即被 IntraflagellarTransport 運送至鞭毛參與微管解聚， 但是 1 h 后鞭毛縮短至 6~7 ?m 時野生型鞭毛中部分 CrKin13 會發生磷酸化， 從而部分抑制 CrKin13 的微管解聚活性。
在 fls1 的鞭毛中， CrKin13 磷酸化的時間提前至 10min, CrKin13 的微管解聚活性提前得到抑制。 FLS1 的缺失可能導致 CALK-HDAC6（histone deacetylase 6）和 CrKin13 兩種途徑對微管解聚的貢獻均被抑制， 因而纖毛的解聚變慢。 上述分析說明， 鞭毛解聚的新調控因子 FSL1既是鞭毛縮短時 CALK磷酸化的正向調控元件， 也是 CrKin13 磷酸化的負向調控元件。
最近幾年利用衣藻、利什曼蟲、四膜蟲和哺乳動物模型證明了 CALK, aurora A, kinesin-13（KIF2A），HDAC6 和 NIMA（never-in-mitosis gene A）激酶的磷酸化在纖毛解聚中起到很重要的調控作用[3~5]. 在 FSL1依賴型解聚的過程中， FSL1 的磷酸化可能受到來自細胞膜、纖毛或細胞核的調控， 然后活化微管去乙?；窰DAC6, 磷酸化的HDAC6進入纖毛， 去除微管上的乙?；揎?， 以利于軸絲的解聚。 FSL1還可能在鞭毛內間接去除 CrKin13 的磷酸化， 提高 CrKin13 對微管的解聚活性（圖 1A）。 在不依賴于 FSL1 的解聚過程中， CALK 的活性受到其他蛋白或因素的調節， Hu等人[2]認為是鞭毛的長度。 CrKin13 在纖毛中存在磷酸化和非磷酸化這兩種形式， 由于這兩種形式對微管的解聚活性存在差異， 軸絲解聚的速度可以通過這兩種形式的比例來進行調節（圖 1B）。
正如其他重要的發現一樣， 纖毛解聚兩階段模型引出許多有趣的新問題： 一是兩階段纖毛解聚的生理意義是什么？ Hu 等人[2]認為遠端纖毛的解聚產生細胞從 G1 期進入 S 期的信號， 而近端鞭毛解聚的信號促使中心粒的釋放。 另一種可能是纖毛對外界信號感受和細胞周期調控非常重要， 因此纖毛的解聚受到嚴格的調控， 纖毛還可在解聚至一半時立即重新形成完整的纖毛。 這兩種解釋都需要實驗來證實； 二是兩階段解聚模型是否有纖毛結構的證據支持， 遠端纖毛與近端纖毛的結構是否存在差異？衣藻鞭毛微管二聯體具有鉗狀結構， 這種結構僅存在于近端軸絲， 而且只有近端的微管蛋白會發生谷氨酰胺化修飾， 另外有些蛋白如調控鞭毛長度的蛋白激酶 LF5 特異性定位于纖毛的近端。 下一步實驗需要證明這些結構和蛋白定位的改變是否影響纖毛解聚的速度； 三是鞭毛中可能存在著新的鞭毛解聚方式， 因為在 fls1 突變體中， 鞭毛依然能夠緩慢解聚至一半長度。 其他有趣的問題還包括軸絲的解聚如何與纖毛膜的解聚同步， 泛素化等其他的翻譯后修飾是否參與到這個過程以及外界信號如何調控 FLS1 的磷酸化等。 Hu 等人的工作為回答以上問題打下了很好的基礎， 將會促進纖毛解聚領域的發展。
參考文獻
1 Pan J, Wang Q, Snell W J. An aurora kinase is essential for flagellar disassembly in Chlamydomonas. Dev Cell, 2004, 6: 445–451
2 Hu Z, Liang Y W, He W, et al. Cilia disassembly with two distinct phases of regulation. Cell Rep, 2015, 10: 1803–1810
3 Pugacheva E N, Jablonski S A, Hartman T R, et al. HEF1-dependent Aurora A activation induces disassembly of the primary cilium. Cell,2007, 129: 1351–1363
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