孙飞研究组与合作者共同揭示纤毛/鞭毛轴丝外周二联体微管A-B管连接的机制

　　纤毛/鞭毛是广泛存在于真核生物中的特殊细胞器，其核心结构是微管及相关蛋白组装成的轴丝复合体（Axoneme）。轴丝外周由9组二联体微管（Doublet microtubules，DMTs）构成，每个DMT又由A管和B管组成。其中A管为完全微管，由13根原纤丝环绕而成；B管为不完全微管，仅含10根原纤丝。A管与B管存在两个连接位点，分别称为外侧连接点（Outer junction，OJ）和内侧连接点（Inner junction，IJ）（图1）。A管与B管的紧密连接对于维持DMTs稳定性发挥至关重要的作用，若DMT-B管发生开放，将直接影响各种轴丝附属结构的附着或功能协调。因此，明确纤毛轴丝DMTs结构中A管与B管连接的组成蛋白和调控机制，一直是纤毛研究领域的关键科学问题之一，对于理解轴丝结构、纤毛功能及其纤毛病发病机理有重要价值。

图1  纤毛/鞭毛轴丝结构及DMTs中A-B管连接示意图

　　2025年10月21日，孙飞课题组与北京师范大学生命科学学院陈苏仁课题组等团队合作，在《PLOS Biology》期刊发表了题为"The core outer junction protein CFAP77 connects A- and B-tubules within doublet microtubules of cilia and flagella"的研究论文。该研究将基因敲除小鼠模型与原位结构生物学技术交叉融合，发现CFAP77是介导纤毛/鞭毛轴丝外周二联体微管中A管与B管连接的核心蛋白，并系统解析了CFAP77缺失引发的分子连锁反应--即CFAP77-CCDC105-TEX43三元复合体的丢失、A-B管在外侧连接点处断裂，最终导致纤毛/鞭毛运动缺陷。该项研究解答了长期困扰纤毛/鞭毛研究领域的一个关键问题：纤毛/鞭毛轴丝外周二联体微管中A管与B管究竟通过何种机制实现稳定连接。

图2. CFAP77敲除导致CFAP77-CCDC105-TEX43三元复合体丢失和DMT-B管开放

　　在前期研究中，孙飞课题组利用原位冷冻断层扫描技术（cryo-ET）结合人工智能（AI）解析了哺乳动物精子轴丝DMTs的高分辨率原位结构（Cell Discovery，2023）。该研究发现，CFAP77是物种间保守的OJ核心组成蛋白，能够结合A11-A12和B01-B02原纤丝；此外，CCDC105和TEX43也定位于OJ部位并结合A11-A12原纤丝，且这两种蛋白仅存在于精子鞭毛中，在其他类型纤毛中不表达。在本研究中，研究团队构建了Cfap77基因敲除小鼠模型。表型分析显示，Cfap77-KO小鼠出现雄性不育特征，其精子数量和形态基本正常，而精子运动能力存在明显缺陷（图2A）。通过透射电镜观察发现，Cfap77-KO小鼠精子轴丝中约45%的DMT-B管出现明显开放现象（图2B）。蛋白表达与功能表型的完美对应，充分证实了CFAP77蛋白在维持DMTs中A-B管OJ部位连接方面的关键生物学功能。

　　为揭示CFAP77蛋白缺失导致DMT-B管开放的结构与分子机制，研究团队利用cryo-ET结合AI技术，成功解析了Cfap77-KO小鼠精子轴丝DMTs的原位结构。结果显示，CFAP77敲除直接导致CFAP77-CCDC105-TEX43三元复合体在DMT-OJ部位完全丢失（图2C），从而引发DMT-B管在OJ部位开放和精子运动功能缺陷（图2D）。这一研究进一步表明，基因编辑小鼠模型与原位结构生物学技术的交叉融合具有可行性与创新性，且两者结合优势显著，有望成为未来相关领域研究的前沿方向。北京师范大学陈苏仁教授、中国科学院生物物理研究所孙飞课题组朱赟研究员、国家卫生健康委科学技术研究所王彬彬研究员为论文的共同通讯作者，北京师范大学夏兰、中国科学院生物物理研究所殷国良（已毕业）为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的资助。样品制备、数据收集等工作得到了生物物理研究所蛋白质科学研究平台相关工作人员的大力支持和帮助。

　　文章链接：

　　https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3003442

（供稿：孙飞研究组）