冯巍研究组与合作者揭示Spef1蛋白相分离调控纤毛摆动的分子机制

　　纤毛是真核细胞表面的"毛发状"结构，广泛分布于人体多种组织器官表面，承担着驱动液体流动、感知外界信号等重要功能。一旦纤毛功能异常，可能引发呼吸道感染、不育、脑积水等多种纤毛疾病，威胁人体健康。2026 年 3 月 10 日，中国科学院生物物理研究所冯巍研究组与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心朱学良研究组合作在《Structure》发表题为"Coiled-coil-mediated phase separation of Spef1 for central-pair microtubule organization and function "的研究论文，研究聚焦Spef1蛋白，揭示其调控纤毛摆动的分子机制。

　　动纤毛的正常功能依赖其内部的轴丝结构，该结构呈典型的"9+2"型--外围由9组微管二联体组成，中心则是一对中央微管。其中，外围微管二联体是纤毛基部基体的延伸，而中央微管无明确依附结构，其形成机制一直是纤毛研究领域的重点内容。已有研究证实，多种纤毛相关蛋白缺失会导致中央微管消失，包括Wdr47、Camsap和Spef1等。冯巍研究组在前期研究中，已揭示Wdr47蛋白通过招募camsap蛋白来稳定中央微管负端、进而促进中央微管形成的机制。

　　早期观察发现，Spef1蛋白的分布具有明显阶段性特征：在未发育成熟的纤毛中，其主要聚集于纤毛顶端；纤毛成熟后，则均匀分布于整个纤毛。进一步实验显示，敲除Spef1蛋白后，纤毛中央微管会直接缺失，进而导致纤毛摆动异常--这一现象与原发性纤毛运动障碍的部分病理特征高度相似，证实Spef1蛋白对纤毛功能的重要性。

　　该研究首先通过结构生物学分析，发现Spef1蛋白包含内在无序区和卷曲螺旋（coiled coil）结构，其中卷曲螺旋会形成平行二聚体，而非推测的反向平行二聚体。这种平行二聚体结构，使得两个Spef1蛋白之间缺乏足够空间距离实现中央微管"捆绑"，说明以前普遍认为的"捆绑"机制无法完整解释Spef1蛋白调控中央微管的具体作用。研究过程中，意外发现Spef1蛋白自身极易发生相分离，形成类似"液滴"的结构，为揭示其作用机制提供关键线索。

　　进一步研究表明，Spef1蛋白的相分离现象，依赖于其卷曲螺旋平行二聚体的形成及蛋白表面特殊的电荷分布：破坏平行二聚体结构会完全阻止相分离发生，改变蛋白表面电荷则会显著减弱相分离现象。值得注意的是，当Spef1蛋白的相分离现象被破坏后，其"捆绑"中央微管的能力也随之消失，这暗示其"捆绑"中央微管的功能同样以相分离为基础，而这种相分离介导的作用方式，弥补了平行二聚体空间距离不足的缺陷，为中央微管调控提供新路径。

　　研究还发现，Spef1蛋白形成的相分离液滴具有蛋白富集特异性，能够选择性富集多种纤毛相关蛋白，包括微管组成成分tubulin、纤毛运动相关蛋白spag6等。这些蛋白均是纤毛生长、结构稳定及功能发挥的关键因子。这也暗示，Spef1蛋白的相分离可能通过局部富集关键蛋白，为纤毛生长提供必要的物质基础。更有趣的是，微管可从富集tubulin的液滴中直接生长--这意味着，Spef1蛋白可能通过相分离形成的液滴，在生长中的纤毛顶端招募并富集tubulin等关键蛋白，这一机制与Spef1在生长中纤毛的顶端定位特征密切相关。

　　为验证相分离在纤毛中的重要作用，进一步在Spef1敲低的小鼠室管膜细胞中，分别回补野生型Spef1和相分离突变型Spef1。实验结果显示，相分离突变型Spef1蛋白虽仍能促进中央微管生长，却无法恢复纤毛正常摆动功能，从而表明Spef1蛋白的相分离功能很可能与纤毛摆动调控密切相关。该研究不仅揭示Spef1蛋白调控纤毛中央微管形成的分子机制，还将蛋白相分离与纤毛摆动功能关联起来，为深入理解纤毛发育和功能调控提供新视角。同时，该研究还为纤毛疾病致病机理研究提供新靶点，未来有望为相关疾病的诊疗提供新思路。

图: Spef1蛋白相分离调控纤毛摆动的工作模型示意图

　　该论文的通讯作者为生物物理所冯巍研究员、分子细胞卓越中心朱学良研究员、生物物理所任锦启副研究员。论文的共同第一作者包括任锦启副研究员、分子细胞卓越中心刘聚源博士、生物物理所博士生谷可伟。生物物理所李冬博士和国科大杭州高等研究院的仇本华博士也为该研究提供了帮助。该研究得到中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、"脑科学与类脑研究"国家科技重大专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中国科学院青年创新促进会的资助。

　　文章链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.str.2026.02.007

（供稿：冯巍研究组）