纤毛是真核细胞表面突起的细胞器，长度为几微米到几十微米，表面覆盖着细胞膜，中心主要为基于微管的结构。根据纤毛是否能运动，可以分为初级纤毛（primary cilia）和运动纤毛（motile cilia）。

初级纤毛无法运动，主要作为细胞表面的“天线”接受和整合外界信号，其中心微管为“9+0”分布；运动纤毛通过规律性的摆动，为细胞运动提供动力，如精子的游动，或者推动细胞表面液体流动，如气管上皮细胞通过纤毛摆动清除病毒和细菌。运动纤毛中心微管为“9+2”分布，包括周围九根双联微管（doublet microtubule）和中心两根单微管（singlet microtubule）。

2019年，两实验室合作在《细胞》杂志发表论文 （Ma et al.）解析了双联微管的高分辨率冷冻电镜结构。在此基础上，两实验室继续合作研究双联微管上其他重要复合物的结构和功能。

双联微管上周期性分布着Axonemal dynein，Radial spoke和N-DRC等复合物，重复周期为96纳米。Axonemal dynein是纤毛的直接动力来源，Radial spoke和两根中心微管通过精密协作调控纤毛运动。

之前的研究显示人的Radial spoke突变会导致纤毛运动能力丧失，临床表现包括生殖不育，慢性呼吸道感染等疾病。到目前为止，Radial spoke分子组成和结构未知，与中心微管和Axonemal dynein的联系未知，其调控纤毛运动的作用机制也未知。

本文以运动纤毛模式生物莱茵衣藻为研究对象，其结论和亮点包括：

（1）直接从天然细胞中提取并纯化了分子量2兆道尔顿的Radial spoke复合物；获得了两种不同Radial spoke复合物同时结合微管的超大复合物样品；通过冷冻电子显微镜单颗粒重构技术（single particle cryo-EM）解析了上述两种样品近原子分辨率的复合物结构。

（2） 综合运用多种建模手段鉴定出三十种不同蛋白质，并构建原子模型，包括两种Radial spoke复合物与微管的全模型以及结合在Radial spoke上的部分Axonemal dynein，N-DRC模型。

（3）通过结构分析发现Radial spoke与其他复合物的作用方式：Radial spoke与中心微管主要通过静电力相互作用，与N-DRC以及部分Axonemal dynein直接物理相互作用。

（4）运用基于神经网络的三维结构动态分析程序（cryoDRGN）等手段，揭示Radial spoke在微管上的摆动方式以及和部分Axonemal dynein的协同运动。

（5）基于本文结论和先前研究，提出了纤毛运动时机械调控分子机制。纤毛运动时，中心微管弯曲或转动导致与Radial spoke的静电相互作用改变，使得Radial spoke在微管上发生摆动，这种摆动通过直接或间接作用的方式传递到Axonemal dynein，使得纤毛运动得到精确调控。Radial spoke在此过程中起到“机械杠杆”的作用。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41594-020-00530-0

doi: 10.1016/j.cell.2019.09.030