莱氏衣藻鞭毛研究进展

野生正常 型 的 莱 氏 衣 藻 其 鞭 毛 都 有 确 定 的 长 度，并且两 个 鞭 毛 的 长 度 是 一 致 的，其 长 度 一 般 是 15 ～ 17 μm． 鞭毛轴 心 含 有 一 束“9 + 2 ”排 列 的 平 行 微管． 在每个鞭毛的基部都是由复杂的三联微管的 基体，以其为成核模板，在上方是 9 个外围二联微管 和中央处的两个单体微管． 动力蛋白臂位于外部二 联 微 管 上 ，并 与 邻 ห้องสมุดไป่ตู้ 的 二 联 微 管 联 系 ，以 此 完 成 了 鞭 毛的运动［8］（ 如图 1 所示） ． 2. 2 莱氏衣藻鞭毛合成及缩短机制研究
关键词： 莱氏衣藻，鞭毛，运动，合成，缩短． 中图分类号： Q 949. 2
0引言
在微生物领域 中，鞭 毛 的 协 调 统 一 性 一 直 都 是 最普遍引人关注的焦点之一． 纤毛的内在结构在真 核 生 物 界 中 ，从 藻 类 到 人 类 都 保 留 得 很 好 ，都 存 在 着 可以 自 由 移 动 的 结 构． 莱 氏 衣 藻 （ Chlamydomonas reinhardtii） 这 种 单 细 胞 藻 类 （ 体 积 大 约 在 7 μm 到 10 μm） ，靠两根 鞭 毛 移 动，结 构 简 单 但 很 具 有 代 表 性［1］，是 长 期 以 来 用 于 研 究 鞭 毛 运 动 的 最 理 想 模型．
无论是对莱氏衣藻鞭毛的合成还是缩短都离不 开 IFT，因为莱氏衣藻鞭毛中没有蛋白的合成机制，它 必须 IFT 过程从合成位运输到鞭毛［8］． Kozminski KG 等首先提出了 IFT 的 概 念，即 鞭 毛 中 粒 子 的 传 递 是 沿着鞭毛长度做双向流动的［9］（ 如图 2 所示） ．
图 2 莱氏衣藻鞭毛中的 IFT 过程（ 引自 Cosima T Baldari 和 Joel Rosenbaum）
图 1 莱氏衣藻鞭毛“9 + 2”结构（ 引自 Gregory J． Pazour 和 Joel L． Rosenbaum）
藻 鞭 毛 的 长 度 ，说 明 在 衣 藻 的 细 胞 质 中 存 在 了 对 衣 藻鞭毛长度“测量”控制机制［21，22］． 那 鞭 毛 究 竟 被 多 少 机 制 支 配 着 ，这 些 复 杂 的 机 制 之 间 又 有 何 种 联 系 ， 引起了科学家们的高度关注． 2. 2. 1 IFT 研究
从微观角度来说，由 Polin 等 提 出 的，莱 氏 衣 藻 鞭毛是协同运动与 非 协 同 运 动 交 替 进 行 的，而 这 两 种运动的交替是通过两条鞭毛击打频率的改变来实 现的，同时也证实了 这 种 击 打 能 量 的 传 递 是 通 过 衣 藻所处环境中的液体运动来实现的． 而鞭毛之所以 有这两种运动的交 替，从 根 本 来 说 是 莱 氏 衣 藻 对 资 源的需求 以 及 为 了 逃 避 捕 食 者 的 自 然 属 性 所 决 定 的． 当两条 鞭 毛 协 调 运 动 时，莱 氏 衣 藻 进 行 直 线 运 动，能很快的接近它所要的生存资源； 而当两条鞭毛 做 非 协 调 运 动 时 ，衣 藻 开 始 做 翻 滚 运 动 ，结 合 实 验 表 明，小型 桡 足 类 捕 食 者 的 捕 食 半 径，大 约 4 ～ 8 mm， 比衣藻平均 1 mm 的 逃 跑 长 度 要 大，所 以 翻 滚 时 的 随 机 定 位 能 帮 助 衣 藻 逃 脱 捕 食 者 的 捕 食［1］ ．
目前关于莱氏 衣 藻 鞭 毛 的 研 究 国 内 很 少，国 外 学 者 研 究 居 多 ，为 了 更 好 的 引 起 国 内 的 关 注 ，本 文 对 国内外的研究进行 了 综 合 阐 述，以 期 在 国 内 得 到 更 好的发展．
1 莱氏衣藻运动研究
从宏观角度看，单 细 胞 莱 氏 衣 藻 有 三 种 运 动 方 式： 趋光运动，避光 运 动 和 滑 行． 其 直 线 运 动 是 同 时 绕 自 身 的 纵 轴 旋 转 ，以 螺 旋 型 路 径 向 光 源 运 动 ，这 样
通过对 IFT 微粒 的 观 测，可 以 从 根 本 上 了 解 鞭 毛变化的过程，发现其中的规律． 但是由于技术和生 物材料的缺乏，关 于 IFT 的 一 些 假 说 都 无 法 得 到 验 证． 最近 提 出 了 新 的 关 于 IFT 的 理 论，指 出 IFT 已 经不是只在纤毛中 存 在，在 一 些 没 有 纤 毛 结 构 的 细 胞也发现了，如 T 淋巴细胞［13］． 2. 2. 2 鞭毛合成机制
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首都师范大学学报（ 自然科学版）
2012 年
释 ，是 依 靠 对 微 小 的 偏 离 的 积 累 而 发 生 的 扩 散 运 动 ， 但是却缺少明确 的 鞭 毛 击 打 的 动 力 学 证 明［4］． 2009 年，Marco Polin 等结合高速影像以及三维跟踪技术， 通 过 两 条 鞭 毛 间 的 视 频 光 强 度 ，得 到 振 荡 强 度 信 号 ：
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第1期
秦 琅等： 莱氏衣藻鞭毛研究进展
病已经被归类到了一起统称为“纤 毛 病 变 ”［26，27］． 所 有的纤毛类 或 者 非 纤 毛 类 真 核 生 物 都 需 要 IFT，纤 毛的缺失可能会引起生理病变． 这些病变包括多囊 性肾病，视网膜病 变，内 脏 移 位，而 其 他 明 显 依 附 于 纤 毛 的 病 变 还 需 要 进 一 步 发 现［23］ ．
莱氏衣藻鞭毛的长度是由一系列复杂的自我平 衡 机 制 来 控 制 的 ，这 些 机 制 确 定 了 鞭 毛 的 特 定 长 度 ， 并且决定了每个细胞有两根相等长度的鞭毛． 当然 也存在有不止两根 鞭 毛 的 衣 藻 细 胞，这 主 要 取 决 于 它 们 鞭 毛 蛋 白 的 含 量［15］ ．
第 33 卷 第 1 期 2012 年 2 月
首都师范大学学报（ 自然科学版） Journal of Capital Normal University
（ Natural Science Edition）
No． 1 Feb．，2012
莱 氏 衣 藻 鞭 毛 研 究 进 展*
秦 琅1 朱 毅2＊＊
（ 1 ． 首都师范大学 资源环境与旅游学院 首都圈生态环境过程重点实验室 ，北京 100048 ； 2． 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083 ）
对莱氏衣藻鞭 毛 长 度 控 制 研 究，最 初 主 要 是 通 过 去 除 鞭 毛 观 察 其 合 成 ，随 着 生 物 技 术 发 展 ，科 学 家 开始利用培养出的 衣 藻 的 变 种 进 行 研 究，不 断 深 入 到了基因蛋白层次． 在对突变体研究中，通过在野生 型衣藻细胞质中进 行 配 对 实 验 后，观 察 到 在 配 对 几 分钟内，lf 的鞭毛缩短到了（ shf 增长到了 ） 野生型衣
1987 年，U． Rüffer 等首先将莱氏衣藻的两根鞭 毛按其位置区分开 了，将 靠 近 眼 点 的 称 为 顺 式 鞭 毛 cis，另一根为反式鞭毛 trans［5］． 2005 年时 K Josef 等 和 N Okita 等人，在黑暗的环境中 实 验 （ 避 免 莱 氏 衣 藻的趋光运动的干扰） ，在 1 ～ 2 s 的 间 隔 时 间 内，发 现大多数的细胞 （ ～ 95% ） 鞭 毛 都 做 协 同 运 动 并 伴 随偶尔反式鞭毛的滑行； 而其他的细胞（ ～ 5% ） 作 非协同运动，而通常 反 式 鞭 毛 比 顺 式 鞭 毛 打 击 频 率 更高． 但是始终不知道控制协同运动的生物化学或 者物理过程，并且虽 然 存 在 了 对 莱 氏 衣 藻 游 动 的 解
摘要
莱氏衣藻作为最理想的纤毛类研究模型，长期以来就受到研究者关注． 虽然它 没 有 神 经 细 胞 的 支 配 ，但 是 鞭 毛 能够通过精确的调控来应对不同的环境变化． 而这种复 杂 精 确 的 调 控 机 制 涉 及 很 多 领 域 的 知 识 ，所 以 其 机 理 研 究 还处于探索阶段． 近年来随着微 － 纳米技术以及传感器技术的发展，在遗传学的助 力 推 动 下，对 莱 氏 衣 藻 鞭 毛 的 研 究已经取得了一定的突破，创立了很多新理论． 文章阐 述 了 目 前 鞭 毛 研 究 中 的 突 破，结 合 研 究 现 状，指 出 了 莱 氏 衣 藻鞭毛未来的研究方向以及在各领域中的广阔应用前景．
Rosenbaum 等通过实验观察到，当将其中一根鞭 毛去除以后 ，另 外 一 根 鞭 毛 就 迅 速 缩 短 ，大 约 为 原 长 度的一半，直到新生长出来的鞭毛与缩短后的鞭毛一 样长了以后，两根鞭毛才开始一起生长． 有时候会出 现一些衣藻细胞缩短后的鞭毛长度超过（ 或短于） 应 该停止分解的位置，此时生长中的鞭毛就会停止直到 另一根回到正常的缩短长度． 同时在实验中也测试到 它们的生长速度是与生长的长度呈现一定的反比关系 的： 最开始的鞭毛生长速度是迅速的（ － 0. 4 μm / min） ， 但当它们生长到接近原有的长度时生长速度就变得 缓慢（ － 0. 15 － 0. 2 μm / h） ． ［14］ Paul A． Lefebvre 等 提出这个生长过程大约会在 90 min 内完成［15］． 2. 2. 3 鞭毛缩短机制
而通过生物化学分析 IFT 粒子揭示了它们主要 是由两种多蛋白复合体组成，复合体 A 和复合体 B， 其中复合体 A 由 四 种 蛋 白 构 成，而 复 合 体 B 则 由 12 ～ 13种蛋白 相 互 作 用 构 成． IFT 粒 子 与 机 动 蛋 白 FLA10 驱动蛋白 II 以 及 细 胞 质 动 力 蛋 白 Dhc1b 一 起，沿着二联微管在 鞭 毛 细 胞 膜 下 传 输 进 出 鞭 毛 的 蛋白［10 ～ ． 12］ 自 从 IFT 提 出 以 来，通 过 基 础 细 胞 学 和 分子生物学对 各 种 细 胞 器 的 纤 毛 的 IFT 的 研 究，已 经将理论扩展到了纤毛类疾病领域［23 ～ ． 25］ 而这类 疾
X L，R （ t） = ГL，R （ t） sin［2 θπL，R （ t） ］ （ 1 ） 式 中： X—signal； L—left； R—right； Г— amplitude； t— time； θ—phase［2］ 发现 虽 然 它 们 趋 光 性 响 应 机 制 有 本 质 的 区 别［5 ～ 7］，但是却没 有 表 现 出 明 显 的 频 率 不 对 称 性，并 同时证明了莱氏衣藻的扩散运动是鞭毛非协同运动 的结果，更得到了更加精确的扩散常数 D≈ （ 0. 47 ± 0. 05） × 10 － 3 cm2 / s，确定了鞭毛击打的频率是在细 胞控制下进行的，而 衣 藻 细 胞 正 是 通 过 精 确 地 改 变 鞭毛的固有频率来控制协同运动． 值得注意的是，这 里纠正了前人的一 个 错 误，得 出 了 每 个 细 胞 的 一 组 鞭毛中，并没有表现 出 一 根 比 另 一 根 鞭 毛 更 快 的 打 击频率的结论． 但是对莱氏衣藻鞭毛运动的管理机 制 还 是 未 知［2］ ．