馮巍研究組與合作者揭示Spef1蛋白相分離調控纖毛擺動的分子機制

　　纖毛是真核細胞表面的"毛發狀"結構，廣泛分布于人體多種組織器官表面，承擔著驅動液體流動、感知外界信號等重要功能。一旦纖毛功能異常，可能引發呼吸道感染、不育、腦積水等多種纖毛疾病，威脅人體健康。2026 年 3 月 10 日，中國科學院生物物理研究所馮巍研究組與中國科學院分子細胞科學卓越創新中心朱學良研究組合作在《Structure》發表題為"Coiled-coil-mediated phase separation of Spef1 for central-pair microtubule organization and function "的研究論文，研究聚焦Spef1蛋白，揭示其調控纖毛擺動的分子機制。

　　動纖毛的正常功能依賴其內部的軸絲結構，該結構呈典型的"9+2"型--外圍由9組微管二聯體組成，中心則是一對中央微管。其中，外圍微管二聯體是纖毛基部基體的延伸，而中央微管無明確依附結構，其形成機制一直是纖毛研究領域的重點內容。已有研究證實，多種纖毛相關蛋白缺失會導致中央微管消失，包括Wdr47、Camsap和Spef1等。馮巍研究組在前期研究中，已揭示Wdr47蛋白通過招募camsap蛋白來穩定中央微管負端、進而促進中央微管形成的機制。

　　早期觀察發現，Spef1蛋白的分布具有明顯階段性特征：在未發育成熟的纖毛中，其主要聚集于纖毛頂端；纖毛成熟后，則均勻分布于整個纖毛。進一步實驗顯示，敲除Spef1蛋白后，纖毛中央微管會直接缺失，進而導致纖毛擺動異常--這一現象與原發性纖毛運動障礙的部分病理特征高度相似，證實Spef1蛋白對纖毛功能的重要性。

　　該研究首先通過結構生物學分析，發現Spef1蛋白包含內在無序區和卷曲螺旋（coiled coil）結構，其中卷曲螺旋會形成平行二聚體，而非推測的反向平行二聚體。這種平行二聚體結構，使得兩個Spef1蛋白之間缺乏足夠空間距離實現中央微管"捆綁"，說明以前普遍認為的"捆綁"機制無法完整解釋Spef1蛋白調控中央微管的具體作用。研究過程中，意外發現Spef1蛋白自身極易發生相分離，形成類似"液滴"的結構，為揭示其作用機制提供關鍵線索。

　　進一步研究表明，Spef1蛋白的相分離現象，依賴于其卷曲螺旋平行二聚體的形成及蛋白表面特殊的電荷分布：破壞平行二聚體結構會完全阻止相分離發生，改變蛋白表面電荷則會顯著減弱相分離現象。值得注意的是，當Spef1蛋白的相分離現象被破壞后，其"捆綁"中央微管的能力也隨之消失，這暗示其"捆綁"中央微管的功能同樣以相分離為基礎，而這種相分離介導的作用方式，彌補了平行二聚體空間距離不足的缺陷，為中央微管調控提供新路徑。

　　研究還發現，Spef1蛋白形成的相分離液滴具有蛋白富集特異性，能夠選擇性富集多種纖毛相關蛋白，包括微管組成成分tubulin、纖毛運動相關蛋白spag6等。這些蛋白均是纖毛生長、結構穩定及功能發揮的關鍵因子。這也暗示，Spef1蛋白的相分離可能通過局部富集關鍵蛋白，為纖毛生長提供必要的物質基礎。更有趣的是，微管可從富集tubulin的液滴中直接生長--這意味著，Spef1蛋白可能通過相分離形成的液滴，在生長中的纖毛頂端招募并富集tubulin等關鍵蛋白，這一機制與Spef1在生長中纖毛的頂端定位特征密切相關。

　　為驗證相分離在纖毛中的重要作用，進一步在Spef1敲低的小鼠室管膜細胞中，分別回補野生型Spef1和相分離突變型Spef1。實驗結果顯示，相分離突變型Spef1蛋白雖仍能促進中央微管生長，卻無法恢復纖毛正常擺動功能，從而表明Spef1蛋白的相分離功能很可能與纖毛擺動調控密切相關。該研究不僅揭示Spef1蛋白調控纖毛中央微管形成的分子機制，還將蛋白相分離與纖毛擺動功能關聯起來，為深入理解纖毛發育和功能調控提供新視角。同時，該研究還為纖毛疾病致病機理研究提供新靶點，未來有望為相關疾病的診療提供新思路。

圖: Spef1蛋白相分離調控纖毛擺動的工作模型示意圖

　　該論文的通訊作者為生物物理所馮巍研究員、分子細胞卓越中心朱學良研究員、生物物理所任錦啟副研究員。論文的共同第一作者包括任錦啟副研究員、分子細胞卓越中心劉聚源博士、生物物理所博士生谷可偉。生物物理所李冬博士和國科大杭州高等研究院的仇本華博士也為該研究提供了幫助。該研究得到中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、"腦科學與類腦研究"國家科技重大專項、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及中國科學院青年創新促進會的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.str.2026.02.007