天鹅长吻虫极致形态变化的分子机制及其新型细胞骨架系统的发现

找药助理

1489次浏览发布时间：2024-11-16 14:49:01

　　真核细胞通过形态的动态变化执行多种功能，以维持基本生物过程并调控细胞行为。然而，某些生物展现出的极致动态形态变化的分子基础仍然是未解之谜。天鹅长吻虫(Lacrymaria olor)是一种单细胞捕食性原生动物，因其形态酷似天鹅而得名。这种原生动物通过不断伸缩其细胞颈来捕捉猎物，其颈部能够延伸至胞体长度的30倍，表现出惊人的动态变化能力。然而，这一现象背后的分子基础长期未明。

　　天鹅长吻虫的三段结构和捕食行为

　　天鹅长吻虫细胞结构分为三个部分：胞体、颈部和头部。颈部是这一生物实现极致动态形态变化的关键部位。在捕食过程中，天鹅长吻虫通过颈部的伸缩搜索猎物，并利用头部的口器捕获目标。这种颈部极端伸缩的能力，得益于其独特的细胞骨架系统，然而关于这些分子材料的具体构成和功能机制，研究人员此前并未掌握确切信息。

　　获得高质量基因组与颈部蛋白质组

　　近日，中国科学院水生生物研究所缪炜团队通过对武汉东湖分离的天鹅长吻虫进行大规模培养，首次获得了该物种的高质量基因组数据。研究团队在细胞培养密度受限的条件下，通过显微手术分离出数千个细胞颈部，并利用质谱分析技术对其蛋白质组成进行了深入解析。这些实验为揭示天鹅长吻虫的极致动态形态变化提供了分子基础。

　　肌丝骨架与微管骨架的发现

　　研究发现，天鹅长吻虫的细胞皮层由两种关键的细胞骨架组成：肌丝骨架和微管骨架。肌丝骨架由一种centin-myosin复合蛋白构成，其分布模式在颈部和胞体之间表现出明显差异。微管骨架则含有一种新型巨型蛋白，这种蛋白在颈部形成梯状结构，与肌丝骨架紧密排列，但在胞体中则相对独立。

　　这种独特的排列方式使颈部能够相对胞体独立运动，从而实现快速而灵活的动态形态变化。研究还指出，这些骨架的协同作用构成了长吻虫极致形态变化的基础。尤其是新发现的巨型蛋白，为了解原生动物的细胞骨架多样性和进化提供了新的视角。

　　依赖钙离子的细胞骨架系统的启示

　　此前，该研究团队曾在旋口虫中发现了一种依赖钙离子的细胞骨架系统，是该生物实现超快速收缩的分子基础。此次对天鹅长吻虫的研究进一步发现了第二类新型细胞骨架系统，这两种系统均属于原生动物中罕见的动态骨架机制。通过对单细胞捕食性原生动物的极致运动形式进行研究，科学家们在细胞骨架进化与多样性方面取得了重要突破。

　　生物仿生与合成生物学的潜在应用

　　天鹅长吻虫细胞骨架系统的发现，不仅在基础生物学研究中具有重要意义，也为生物仿生技术和合成生物学的研究提供了理论基础。例如，这种独特的骨架系统能够作为设计分子机器的蓝图，推动相关领域的技术创新。通过合成生物学手段模仿长吻虫的动态骨架，有望构建能够实现极端形态变化的人工分子装置。

　　研究意义与展望

　　本研究以Dynamic shape-shifting of the single-celled eukaryotic predator Lacrymaria via unconventional cytoskeletal components为题，发表在国际权威期刊《当代生物学》(Current Biology)上。研究不仅揭示了天鹅长吻虫细胞极致动态形态变化的分子机制，还发现了一种新型的细胞骨架系统。这项成果对于探索生物运动的多样性、细胞骨架的进化以及推动合成生物学研究具有深远意义。

　　研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助，并由国家水生生物种质资源库、中国科学院超级计算武汉分中心和水生所分析测试中心提供支持。未来，基于这些新发现的研究将进一步推动细胞骨架研究领域的发展，同时在生物工程和仿生技术方面展现出广阔的应用前景。

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