Cell Rep | Xuecai Ge團隊利用體內鄰近標記蛋白組學繪制發育端腦放射狀膠質細胞纖毛蛋白圖譜

你可能從未聽說過“初級纖毛”——這個從細胞表面伸出、像天線一樣微小結構，在絕大多數人體細胞上都能找到，但即便是許多專業生物學家也對它知之甚少。長期以來，它甚至被當作“進化殘留物”而被忽視。然而，當這個小小的天線失靈，將會引發被稱為“纖毛病”的嚴重疾病，導致小頭畸形、智力障礙等大腦發育異常。這個 不 足細胞總體積萬分之一的微小結構，究竟藏著什么樣的秘密？

近日，加州 大學默塞德 分校 / 河濱分校XuecaiGe團隊在Cell Reports上發表了題為Proximity labeling proteomics maps radial glial ciliary proteins across the developing telencephalon的研究論文。研究團隊通過構建Cilium-TurboID轉基因小鼠模型，結合定量蛋白組學，在體內系統繪制了胚胎端腦放射狀膠質細胞（ radial glia, RG ）初級纖毛的蛋白質圖譜。該研究不僅揭示了纖毛蛋白的腦區特異性分布，還意外發現RG纖毛中存在核糖體及翻譯相關蛋白，并進一步闡明了兩個神經發育疾病相關蛋白MARCKS和CKAP2L在纖毛中的新功能。

在哺乳動物大腦皮層發育過程中， RG 作為主要的神經前體細胞，其頂端突出形成的初級纖毛暴露于腦室表面的腦脊液中，負責接收和整合多種信號（如 Hedgehog 通路）以調控前體細胞的增殖與分化。然而，由于纖毛體積小、蛋白豐度低且動態變化大，傳統生化分離方法難以獲得高保真度的纖毛蛋白組。此外， RG 在背側（形成興奮性神經元）和腹側（產生抑制性中間神經元）存在顯著異質性，其纖毛蛋白組成是否存在區域差異也尚不清楚。

核心發現：

構建體內纖毛鄰近標記系統： 團隊 利用 BLBP 啟動子驅動纖毛定位的 TurboID 在 RG 纖毛中特異性表達，建立了 Cilium- TurboID 轉基因小鼠。通過短時間生物素標記，成功富集了胚胎第 12.5 天（ E12.5 ）小鼠端腦背側和腹側 RG 纖毛蛋白。

定量蛋白組學鑒定：收集超過 800 個胚胎腦組織，經中性抗生物素蛋白（ neutravidin ）富集和 TMT 定量質譜分析，共鑒定出 258 個高置信度纖毛候選蛋白。 GO 分析顯示這些蛋白參與細胞骨架組織、胞內運輸、信號轉導，以及令人意外的“蛋白質翻譯調控”和“ RNA 結合”等過程。

RG 初級纖毛中存在翻譯機器：免疫熒光和 RNA-FISH 實驗證實，多個核糖體蛋白、翻譯因子等均定位于 RG 纖毛內，提示初級纖毛可能具備局部蛋白質合成能力。這一現象在以往研究中未被報道，可能為纖毛快速響應外界信號提供新機制。

纖毛蛋白的腦區特異性分布：比較背側與腹側端腦，發現 67 種蛋白富集于背側、 60 種富集于腹側。研究證實 CKAP2L （ Filippi 綜合征相關蛋白）主要定位于背側 RG 纖毛，而 DHX57 （ RNA 解旋酶）則主要定位于腹側 RG 纖毛，且該差異 不 源于總蛋白表達水平，提示存在腦區特異的纖毛靶向調控機制。

闡明神經發育疾病相關蛋白的纖毛功能：

MARCKS ：該蛋白缺失導致小鼠神經管閉合失敗和 RG 極性紊亂。研究發現 MARCKS 依賴其 N 端豆蔻?；揎椂ㄎ挥诶w毛，而非 PKC 磷酸化位點。敲除 Marcks 顯著降低纖毛形成率和纖毛長度，并導致纖毛內 CDC42 水平下降，表明 MARCKS 通過募集 CDC42 促進纖毛發生。

CKAP2L ： CKAP2L 缺失突變主要與嚴重的遺傳性疾病—— Filippi 綜合征相關。 Ckap2l 敲除導致 Hedgehog 信號通路活性顯著減弱。此外，小鼠 Ckap2l 缺失導致其背側皮層神經前體細胞池縮小、神經元生成減少，并出現皮層變薄及小腦發育不全，類似病人 Filippi 綜合征表型。

該研究提供了一個高質量的體內 RG 纖毛蛋白組資源（數據已上傳 MassIVE : MSV000097579 ）。首次揭示了初級纖毛可能具備局部蛋白合成能力，這一概念挑戰了傳統上認為纖毛蛋白完全依賴纖毛內轉運（ IFT ）從胞體供應的觀點。結合腦室區放射狀膠質細胞細胞核周期性遷移、纖毛遠離細胞核的特點，局部翻譯或許能使纖毛快速響應腦脊液中的信號變化，獨立完成特定蛋白的合成與更新。雖然仍需直接證據證明活躍翻譯的發生，但該發現為理解纖毛信號調控的動態性打開了新方向。

此外，研究揭示了纖毛蛋白組成的腦區特異性：背側和腹側端腦的 RG 纖毛具有顯著差異的蛋白譜。結合背側 RG 主要產生興奮性神經元、腹側 RG 產生抑制性神經元的譜系差異，推測纖毛蛋白的差異組成可能賦予不同腦區 RG 對相同環境信號（如 Hedgehog 、 Wnt 等）產生迥異的應答，從而精細調控皮層區域化與神經元亞型分化。

在疾病機制方面，本研究揭示了兩個神經發育疾病相關蛋白 MARCKS 和 CKAP2L 此前未知的纖毛功能。 MARCKS 依賴其豆蔻酰化修飾定位于纖毛，并調控纖毛發生，為理解 MARCKS 基因敲除小鼠所表現出的嚴重腦發育畸形提供了新的分子基礎。針對 CKAP2L ，本研究首次從分子機制上解析了其突變導致 Filippi 綜合征的致病基礎，明確纖毛功能障礙是該疾病的關鍵環節，為靶向纖毛信號缺陷的治療策略提供了理論依據。未來研究仍需進一步探索腦區特異性纖毛蛋白的靶向調控機制、纖毛局部翻譯的生物學意義，以及更多新鑒定蛋白在皮層發育與纖毛病中的潛在功能?？傊?，本研究提供的高質量數據資源和概念性突破，將為纖毛信號在神經發育與疾病機制研究領域開辟新的方向。

本文的第一作者為 Xuecai Ge 課題組的劉曉亮博士，參與作者包括 Xuecai Ge 課題組成員， Oscar T. Gutierrez 博士、 Eva Cai 博士、 Gurleen Kaur 博士、 Yazan Al- Issa 博士、 Scripps 研究所 John R. Yates III 課題組成員。劉曉亮博士和 Xuecai Ge 博士為本文的共同通訊作者。

原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00433-X

制版人：十一

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