清华大学生科院Cell子刊解析鞭毛内运输调控机制

时间：2014年9月9日

来源：清华大学

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纤毛是位于细胞表面的保守细胞器，从原生生物到人类广泛存在。纤毛具有运动和信号传导的功能，其结构或功能缺陷会导致多种人类疾病与发育异常，如肾脏囊肿、视觉退化、内脏反转、糖尿病、生殖不育等。纤毛的组装和维持依赖于IFT。

2014年8月28日，清华大学生命科学学院潘俊敏教授研究组在CELL子刊《Developmental Cell》上在线发表了题为“FLA8/KIF3B Phosphorylation Regulates Kinesin-II Interaction with IFT-B to Control IFT Entry and Turnaround”的研究论文。该论文首次揭示了钙离子依赖激酶磷酸化马达蛋白KIF3B，调控“鞭毛内运输”(Intraflagellar transport, IFT) 的机制，这是关于IFT调控机制的重大进展，为纤毛的调控和信号传导的研究奠定了重要基础。

纤毛是位于细胞表面的保守细胞器，从原生生物到人类广泛存在。纤毛具有运动和信号传导的功能，其结构或功能缺陷会导致多种人类疾病与发育异常，如肾脏囊肿、视觉退化、内脏反转、糖尿病、生殖不育等。纤毛的组装和维持依赖于IFT。IFT指的是介于纤毛基部和顶端之间的一种双向蛋白质运输，运输纤毛的结构蛋白或信号分子。

从基部到顶端的运输由驱动蛋白调控；而从顶端到基部的运输是由细胞质动力蛋白提供动力。在纤毛的基部和顶端，IFT受到严格的调控。驱动蛋白在基部被激活，运载蛋白质复合体（称为IFT复合体）及其所结合的纤毛蛋白和失活的动力蛋白从纤毛基部到纤毛顶端；在顶端，IFT复合体脱离驱动蛋白，释放所载货物，驱动马达蛋白失活而动力马达蛋白激活；激活的动力蛋白运载IFT复合体及其所新装载的纤毛蛋白回到纤毛基部。虽然IFT于1993年被发现，但是IFT在纤毛顶端或基部的调控并不清楚。

主要的问题包括：1）驱动蛋白激活和失活的机制；2）IFT复合体如何分别在纤毛顶端与基部进行装载或卸载；3）IFT颗粒进入速率的调控。4）动力蛋白的激活与失活的机制。

潘俊敏教授课题组利用模式生物—衣藻作为实验系统，结合生化、细胞与遗传的方法，首次发现了钙离子依赖激酶磷酸化驱动马达蛋白亚基KIF3B的S663位点，并且该位点的磷酸化调控了马达蛋白与IFT颗粒的结合活力，进而调节IFT运输过程中IFT复合体的装卸、马达蛋白的活性。并且发现细胞通过胞内KIF3B的磷酸化水平，调控IFT进入纤毛的速率。

该论文主要由生命学院博士生梁银文（现为生命学院博士后）和庞雨浓完成，其他作出贡献的人员包括吴琼，胡长峰，韩雪等，生物医学测试中心蛋白质化学平台的技术人员许译声和邓海腾教授参与了该项工作的样品分析。感谢测试中心影像中心的技术支持，科技部、国家基金委和教育部的资助。

马达蛋白KIF3B的磷酸化状态调控“鞭毛内运输”（IFT）的模式图

原文摘要：

FLA8/KIF3B Phosphorylation Regulates Kinesin-II Interaction with IFT-B to Control IFT Entry and Turnaround

The assembly and maintenance of cilia depends on intraflagellar transport (IFT). Activated IFT motor kinesin-II enters the cilium with loaded IFT particles comprising IFT-A and IFT-B complexes. At the ciliary tip, kinesin-II becomes inactivated, and IFT particles are released. Moreover, the rate of IFT entry is dynamically regulated during cilium assembly. However, the regulatory mechanism of IFT entry and loading/unloading of IFT particles remains elusive. We show that the kinesin-II motor subunit FLA8, a homolog of KIF3B, is phosphorylated on the conserved S663 by a calcium-dependent kinase in Chlamydomonas. This phosphorylation disrupts the interaction between kinesin-II and IFT-B, inactivates kinesin-II and inhibits IFT entry, and is also required for IFT-B unloading at the ciliary tip. Furthermore, our data suggest that the IFT entry rate is controlled by regulation of the cellular level of phosphorylated FLA8. Therefore, FLA8 phosphorylation acts as a molecular switch to control IFT entry and turnaround.