研究人員發(fā)現(xiàn)一種主要基因multicilin告訴細(xì)胞長出多種毛狀纖毛(粉紅色),，圖片來自美國沙克生物研究中心。
美國沙克生物研究中心科學(xué)家鑒定出一個告訴細(xì)胞生長出許多纖毛---讓液體流經(jīng)肺部和大腦的微小毛狀結(jié)構(gòu)---的基因,。這一發(fā)現(xiàn)可能有助科學(xué)家開發(fā)出利用干細(xì)胞替換肺部和其他器官中受損組織的新治療方法,。
領(lǐng)導(dǎo)該研究的是沙克生物研究中心分子神經(jīng)學(xué)實驗室教授Christopher R. Kintner，他說,，“帶有許多纖毛的細(xì)胞發(fā)揮著重要作用,，包括讓液體流經(jīng)呼吸道、大腦和脊髓,。知道指導(dǎo)細(xì)胞長出許多纖毛的基因有助于理解我們可能如何誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為這種細(xì)胞類型,，然后我們能夠使用它來修復(fù)受損組織。”
2012年1月8日,，這些發(fā)現(xiàn)在線發(fā)表在《自然-細(xì)胞生物學(xué)》期刊上,。Kintner和他的合作者Jennifer Stubbs和Eszter Vladar起初是通過研究非洲爪蟾(Xenopus laevis)胚胎來做出這一發(fā)現(xiàn)的。
多纖毛細(xì)胞在胚胎外面長出,，使得它們能夠容易研究指導(dǎo)青蛙細(xì)胞長出許多類似人類纖毛的纖毛的遺傳機制,。人類和其他有機體的纖毛是從我們的單細(xì)胞原始祖先(primordial ancestor)中遺傳下來的，這些原始祖先作為一種推進裝置形式使用這些拍打結(jié)構(gòu),。我們身體中大多數(shù)細(xì)胞延伸出單根非移動性的纖毛,，它被作為一支微小的天線來檢測化學(xué)和物理刺激。但是特定組織需要帶有100到200根移動性的纖毛的細(xì)胞,，這些纖毛一同拍打讓液體流經(jīng)身體,。
這些細(xì)胞有助于推動腦脊髓液流經(jīng)大腦和脊髓，從而有助于循環(huán)和更新這種液體,。在呼吸系統(tǒng)中,，這些纖毛推動粘液捕獲從氣管向下進入肺部的灰塵,、致病菌和其他外來物質(zhì)，從而有助于阻止傳染,。
Kintner和Stubbs之前在《自然-遺傳學(xué)》上發(fā)表一篇研究論文,，鑒定出一種促進單根移動性纖毛生長的蛋白FoxJ1。然而不清楚的是某種細(xì)胞如何以一種導(dǎo)致每個細(xì)胞長出上百根移動性纖毛的方式激活FoxJ1,。
在他們的這項新研究中,，Kintner和他的合作者鑒定出一種基因，它產(chǎn)生另一種他們稱之為多纖毛素(multicilin)的蛋白,，該蛋白告訴細(xì)胞長出許多纖毛,。當(dāng)細(xì)胞暴露在多纖毛素中，它們長出許多纖毛的遺傳機制被激活,。在發(fā)育中的胚胎里,，這種蛋白指導(dǎo)某種位于肺部、腎臟和皮膚表面的干細(xì)胞發(fā)育為多纖毛細(xì)胞,。
當(dāng)研究人員抑制多纖毛素發(fā)揮作用時,，青蛙的皮膚和腎臟不能長出多纖毛細(xì)胞。他們也發(fā)現(xiàn)多纖毛素對于位于小鼠氣管表面的細(xì)胞長出許多纖毛是必需的和充足的,。
Kintner說,，“這意味著多纖毛素在許多不同器官中指導(dǎo)這些細(xì)胞的發(fā)育。多纖毛細(xì)胞如何發(fā)育之前一直是一個謎,，不過這項研究解決了大部分謎團,。”
Kintner注意到患有諸如慢性哮喘、肺氣腫和囊腫性纖維化(cystic fibrosis)之類呼吸道疾病的病人經(jīng)常遭受肺部感染,，這可能是由于將保護性粘液從氣管中移走的多纖毛細(xì)胞受損導(dǎo)致的,。在未來，干細(xì)胞治療可能用新的纖毛細(xì)胞替換這些受損的細(xì)胞,，但是科學(xué)家首先需要知道如何指導(dǎo)干細(xì)胞沿著發(fā)育途徑長成多纖毛細(xì)胞,。
Kintner說，“我們的發(fā)現(xiàn)提示著多纖毛素可能對于干細(xì)胞分化為作為替換之用的細(xì)胞是至關(guān)重要的,。它是開發(fā)干細(xì)胞治療所必需的一步,。”(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1038/ncb2406
PMC:
PMID:
Multicilin promotes centriole assembly and ciliogenesis during multiciliate cell differentiation
J. L. Stubbs, E. K. Vladar, J. D. Axelrod & C. Kintner
Multiciliate cells function prominently in the respiratory system, brain ependyma and female reproductive tract to produce vigorous fluid flow along epithelial surfaces. These specialized cells form during development when epithelial progenitors undergo an unusual form of ciliogenesis, in which they assemble and project hundreds of motile cilia. Notch inhibits multiciliate cell formation in diverse epithelia, but how progenitors overcome lateral inhibition and initiate multiciliate cell differentiation is unknown. Here we identify a coiled-coil protein, termed multicilin, which is regulated by Notch and highly expressed in developing epithelia where multiciliate cells form. Inhibiting multicilin function specifically blocks multiciliate cell formation in Xenopus skin and kidney, whereas ectopic expression induces the differentiation of multiciliate cells in ectopic locations. Multicilin localizes to the nucleus, where it directly activates the expression of genes required for multiciliate cell formation, including foxj1 and genes mediating centriole assembly. Multicilin is also necessary and sufficient to promote multiciliate cell differentiation in mouse airway epithelial cultures. These findings indicate that multicilin initiates multiciliate cell differentiation in diverse tissues, by coordinately promoting the transcriptional changes required for motile ciliogenesis and centriole assembly.
