細胞內測量長度的蛋白質

細胞內測量長度的蛋白質(A nanometer ruler determines the repeat length)
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

編譯來源：細胞内で長さを測るタンパク質を発見、A molecular ruler determines the repeat length in eukaryotic cilia and flagella

你是否能測量奈米大小的長度呢?奈米是毫米的百萬分之一，比頭髮尖端更微細，無法徒手測量。在人類細胞內，具有無數固定長度或大小的構造，細胞合成這些構造時，究竟是如何測量它們的長度呢? 有研究者提出「奈米分子尺規」假說，認為存在固定長度的蛋白質作為奈米分子尺規(簡稱奈米尺)，來調控這些構造的長度。雖過去研究指出較為原始的原核生物如細菌或病毒等具有奈米尺，但仍不知高等生物如人類是否也有奈米尺。

日本東京大學醫學研究所的研究團隊，使用超低溫電子顯微鏡(cryo-electron tomography)首次證實高等生物也有奈米尺，分佈於人體氣管、精子、輸卵管、及腦室細胞的絲狀結構「纖毛(cilla)」或「鞭毛(flagella)」中以維持機能運作，研究結果2014年11月刊載於科學期刊「Science」。

（圖片編譯來源：東京大學研究報導http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/a-molecular-ruler-in-eukaryotic-cells/）

纖毛與鞭毛的結構幾乎相同，其長度數微米至數十微米，粗細200奈米左右，是一種非常微細的細胞突出絲狀構造，能藉形成水波引發液體流動。例如：精子擺動尾部的鞭毛以向前移動；纖毛擺動可排出進入氣管內的異物、協助卵子在輸卵管內前進、引發大腦內腦脊髓液的流動等。纖毛運動是由動力蛋白dynein驅動，dynein以96奈米為單位，以相同重複結構整齊排列。該研究團隊發現，告知細胞96奈米長度的物質是FAP59及FAP172蛋白複合體-奈米尺。

Kartagener病患的纖毛無法正常擺動。已知FAP59及FAP172蛋白複合體變異缺少，是Kartagener病癥(Kartagener’s syndrome)的主要致病原因，但不知為何缺少此蛋白複合體，纖毛擺動就出現異常。為解開其機制，研究團隊使用超低溫電子顯微鏡，觀察該蛋白複合體缺損的纖毛構造，發現上述96奈米為單位，相同的重複結構完全消失。故認為FAP59及FAP172蛋白複合體，可能作為96奈米尺，維持機能運作。

若FAP59及FAP172蛋白複合體真的作為奈米尺，當它的長度改變，細胞內的結構也應會產生變化。果然，藉由基因操控，將FAP59及FAP172蛋白複合體長度變長，成功製造出自然界不存在、120或128奈米為單位的重複結構。也發現它不僅扮演奈米尺的角色，也決定動力蛋白dynein的排列順序。通常，96奈米的重複結構， A至G共7種動力蛋白dynein，以A-B-C-E-G-D-F的順序排列，但若操控奈米尺基因，則能製造出A-B-C-E-C-E-G-D-F或A-A-B-C-E-G-D-F-F的人工蛋白質序列。利用奈米尺特性，有希望能任意配置動力蛋白的排列順序，製造出人工的奈米機器。

纖毛運動不全所造成的Kartagener病癥，是相當嚴重的疾病。若纖毛無法擺動，氣管無法排出異物而易導致肺炎；精子無法運動會導致不孕；腦脊髓液滯留在腦室會導致腦水腫(hydrocephalus)；或心臟與肝臟的位置相反，造成內臟異位，導致畸型。該研究發現這些Kartagener病癥，都是因纖毛的奈米尺缺損導致dynein蛋白質機能異常。

名詞解釋

1.動力蛋白 : motor protein，細胞中本身可以運動的蛋白質。例如使纖毛擺動的dynein，腦或神經中調控物質搬運的kinesin，使肌肉運動的myosin。

2.超低溫電子顯微鏡 : 將細胞或生物體內分子瞬間凍結，使用高解析電子顯微鏡直接觀察的方法。

3.內臟異位 : 小鼠內臟的左右位置，受到胚胎發育初期的原結(primitive knot)活動所決定。後來透過電子顯微鏡及高速視訊顯微鏡觀察數種脊椎動物胚胎，發現原結週邊的纖毛，高速旋轉所產生水流，會決定內臟的左右位置。Kartagener病患因纖毛異常，易產生內臟異位，導致畸型。

延伸閱讀 

1.卡塔格氏症候群（Kartagener syndrome）之影像－病例報告 http://w3.tyh.com.tw/Radiology/teach/paper1.html

2.纖毛 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BA%96%E6%AF%9B

參考資料

Yasushi Okada, Sen Takeda, Yosuke Tanaka, Juan-Carlos Izpisúa Belmonte and Nobutaka Hirokawa,

“Mechanism of Nodal Flow: A Conserved Symmetry Breaking Event in Left-Right Axis

Determination”, Cell 121, 633-644 (2005).

http://www.cell.com/abstract/S0092-8674%2805%2900349-1