细胞动纤毛(motile cilium)研究进展速览（2020-2025年）

研究史上最早发现动纤毛的人，是17世纪的列文虎克，他用自制显微镜观测到鞭毛虫的纤毛，并把其结构形容为“快速移动的脚”。而与之相对的静纤毛，也就是后来的初级纤毛，则在1898年首先由Zimmerman在哺乳动物肾细胞中发现，而正式的命名则是由1968年的Sorokin完成。后来，人们进行了许多有关于纤毛的研究，不断丰富纤毛的种类、完善纤毛的功能。近年来，对于动纤毛的研究，大都集中在神经、呼吸、生殖系统以及相关疾病，以下是发表在Nature、Cell、Nature Communications等国际著名期刊上的一些具有代表性的研究成果，供以参考借鉴。若文中存在部分内容遗漏、对原文的曲解或片面解读等情况，恳请予以谅解！

1.Wnt-PLC-IP3-Connexin-Ca²⁺轴维持斑马鱼脊髓中的室管膜运动纤毛

2020年4月20日，韩国全南国立大学医学院生物医学科学系Seok-Yong Choi教授团队在Nature Communications杂志上发表论文，本研究以斑马鱼为主要模型，研究发现Wnt-PLC-IP3-Connexin-Ca²⁺轴对维持脊髓室管膜运动纤毛至关重要。plcδ3a是Wnt信号的靶基因且参与纤毛维持，Wnt信号缺陷的斑马鱼胚胎运动纤毛受损但基体完整；Connexin43(Cx43)通道功能的缺失会减少运动纤毛、抑制细胞间Ca²⁺传播，斑马鱼和小鼠中Cx43基因敲除均导致纤毛减少，且人脊髓室管膜细胞也表达Cx43。本文首次揭示了Wnt-PLC-IP3-Connexin-Ca²⁺轴是维持斑马鱼脊髓室管膜运动纤毛的关键机制，明确该轴不同于Shh、Notch信号，且各环节功能关键，还提示增强功能性缝隙连接或可改善运动纤毛病。

参考文献：

Zhang J, Chandrasekaran G, Li W, et al. Wnt-PLC-IP3-Connexin-Ca2+ axis maintains ependymal motile cilia in zebrafish spinal cord. Nat Commun. 2020;11(1):1860. Published 2020 Apr 20. doi:10.1038/s41467-020-15248-2

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7170879/

2.微脊状结构锚定运动纤毛

2022年4月19日，德国弗莱堡大学医学中心Gerd Walz教授团队在Nature Communications杂志上发表论文，本文以非洲爪蟾表皮多纤毛细胞(multiciliated cells，MCCs)为模型，研究发现微脊样结构是维持运动纤毛稳定与定向的关键：微脊肌动蛋白锚定复合物核心(Ezrin)和非肌肉肌球蛋白（Nonmuscle Myosin II，NMII）的功能异常会破坏根突锚定与纤毛定向，而光遗传学调控Ezrin或抑制肌球蛋白轻链激酶也会干扰该过程，最终揭示微脊样结构在基体根突锚定中不可或缺。本文首次揭示微脊样结构是运动纤毛稳定锚定与定向的关键支撑，填补了纤毛最终定位维持机制的研究空白，为解析运动纤毛功能维持及相关疾病机制提供了全新视角。

参考文献：

Yasunaga T, Wiegel J, Bergen MD, et al. Microridge-like structures anchor motile cilia. Nat Commun. 2022;13(1):2056. Published 2022 Apr 19. doi:10.1038/s41467-022-29741-3

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9018822/

3.内连接蛋白CFAP20在运动和非运动纤毛中发挥作用，对视力至关重要

2022年11月3日，加拿大阿尔伯塔大学W. Ted Allison教授团队在Nature Communications杂志上发表论文，研究发现内连接蛋白CFAP20突变会使斑马鱼出现典型运动纤毛病表型，如幼体期体轴弯曲、心脏位置异常、前肾管囊肿，成体则有严重脊柱弯曲；该突变因无义介导的衰变导致CFAP20转录本大幅减少，而斑马鱼或人野生型CFAP20 mRNA可拯救体轴弯曲等表型，且降低CFAP20的表达也会引发类似突变表型，进一步证实CFAP20在维持斑马鱼运动纤毛功能中的必需作用，也提示其或为人类原发性纤毛运动障碍相关候选蛋白。本文打破运动与非运动纤毛病致病基因互斥的传统认知，首次证实内连接蛋白CFAP20在多细胞生物中同时调控运动与非运动纤毛功能。还提出 “内连接枢纽” 新机制，明确CFAP20是该枢纽核心，为纤毛相关疾病提供新致病路径与研究方向。

参考文献：

Chrystal PW, Lambacher NJ, Doucette LP, et al. The inner junction protein CFAP20 functions in motile and non-motile cilia and is critical for vision. Nat Commun. 2022;13(1):6595. Published 2022 Nov 3. doi:10.1038/s41467-022-33820-w

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9633640

4.原位冷冻电子断层扫描显示了哺乳动物精子轴突的不对称结构

2023年1月2日，美国加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学系David A. Agard教授团队在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表论文，本文以小鼠和人类精子为模型，通过原位冷冻电镜断层扫描技术，发现精子特异性蛋白复合物（如微管内蛋白MIP的扩展互作网络、径向辐条(RS)的桶状结构及RS2-RS3交联体、连接蛋白复合物N-DRC具有的独特形态），且九对外微管二联体各有独特调控复合物组合，人鼠精子中桶状结构分布存在差异；这种不对称分布可能通过差异化调控微管二联体滑动，为精子非平面不对称摆动提供分子基础，区别于海胆精子等的平面对称摆动模式。本文在首次通过原位冷冻电镜断层扫描结合冷冻聚焦离子束技术，突破哺乳动物精子轴丝厚度的技术限制，获得小鼠和人类精子轴丝（运动纤毛核心）高分辨率结构；发现精子特有的蛋白复合物，且九对外微管二联体各有独特调控复合物组合，打破轴丝“伪九重对称”认知，为精子非平面不对称摆动提供分子机制。

参考文献：

Chen Z, Greenan GA, Shiozaki M, et al. In situ cryo-electron tomography reveals the asymmetric architecture of mammalian sperm axonemes. Nat Struct Mol Biol. 2023;30(3):360-369. doi:10.1038/s41594-022-00861-0

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10023559/

5.SARS-CoV-2在气道上皮中的复制需要运动纤毛和微绒毛的重新编程

2023年1月5日，美国加州大学旧金山分校微生物与免疫学系Raul Andino教授团队在Cell杂志上发表论文，本文以原代鼻上皮类器官为模型，揭示SARS-CoV-2感染呼吸道上皮依赖运动纤毛：病毒先结合纤毛表面的ACE2受体，借助纤毛穿越黏液层与周毛层(PCL)到达细胞体，实现早期感染，且仅偏好感染纤毛上皮细胞而非杯状细胞。敲低纤毛形成关键蛋白CEP83的表达去除纤毛，或用纤毛动力蛋白抑制剂Ciliobrevin D，均会抑制SARS-CoV-2及呼吸道合胞病毒、副流感病毒等的感染。此外，Omicron变体（SARS-CoV-2的高传染性变异株）对运动纤毛的结合亲和力更高，能加速病毒通过纤毛依赖途径进入细胞。本文首次明确运动纤毛是SARS-CoV-2突破呼吸道黏液/PCL屏障、实现早期感染的关键媒介，同时揭示Omicron变体通过增强与运动纤毛的结合亲和力，加速纤毛依赖的感染过程；此外，证实敲降纤毛形成关键蛋白CEP83或抑制纤毛动力蛋白，可阻断病毒感染，为靶向纤毛防控呼吸道病毒提供全新机制与潜在靶点。

参考文献：

Wu CT, Lidsky PV, Xiao Y, et al. SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming. Cell. 2023;186(1):112-130.e20. doi:10.1016/j.cell.2022.11.030

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9715480/

6.轴突结构揭示机械调节和疾病机制

2023年5月31日，哈佛医学院生物化学与分子药理学系Alan Brown教授团队在Nature杂志上发表论文，本文结合人工智能辅助结构预测与冷冻电镜技术，解析了衣藻鞭毛及人类呼吸道运动纤毛轴丝的96-nm重复单元原子模型，揭示轴丝结构的保守性与物种特化特征，明确动力蛋白间的互联性及轴丝周期性维持机制，发现机械调节复合物与轴丝动力蛋白的关联构象变化，为纤毛运动调控的机械转导通路提供依据；还分析了原发性纤毛运动障碍(PCD)患者的纤毛二联微管结构，证实缺失特定对接因子会选择性破坏轴丝周期性重复结构，阐明相关致病机制。本文首次结合人工智能辅助结构预测与冷冻电镜技术，突破轴丝复杂度与尺寸限制，还揭示物种特异性差异，为纤毛运动调控的机械转导通路提供结构依据。

参考文献：

Walton T, Gui M, Velkova S, et al. Axonemal structures reveal mechanoregulatory and disease mechanisms. Nature. 2023;618(7965):625-633. doi:10.1038/s41586-023-06140-2

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10266980/

7.磷酸三丁酯可以通过改变运动纤毛所需的轴突结构来抑制轮虫的摄食行为

2023年10月5日，中国海洋大学海洋生命学院张欣欣教授在Journal of Hazardous Materials杂志上发表论文，本文以轮虫为模型，发现高浓度磷酸三丁酯(TnBP)显著降低纤毛摆动频率，且下调轴丝结构相关基因表达，影响纤毛核心骨架组装，还能结合乙酰胆碱酯酶并抑制其活性，还下调突触相关蛋白基因表达，干扰纤毛运动的神经调控协调，同时诱导线粒体形态异常与功能障碍，导致纤毛运动所需能量供应不足。这一系列损伤共同导致轮虫摄食行为受抑，明确了TnBP影响运动纤毛的毒性机制。本文首次证实了TnBP能作为乙酰胆碱酯酶的竞争性配体，填补了有机磷酸酯类污染物影响运动纤毛的机制空白，也为生态毒理学中基于纤毛损伤的风险评估提供了新靶点与理论依据。

参考文献：

Zhang X, Tang X, Yang Y, Tong X, Hu H, Zhang X. Tributyl phosphate can inhibit the feeding behavior of rotifers by altering the axoneme structure, neuronal coordination and energy supply required for motile cilia. J Hazard Mater. 2023;459:132224. doi:10.1016/j.jhazmat.2023.132224

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389423015078?via%3Dihub

8.精子微管双联体稳定性的细胞内结构研究

2023年11月21日，中国科学院生物物理研究所孙飞教授团队在Cell Discovery杂志上发表论文，本文以小鼠和人类精子为模型，借助原位冷冻电镜断层扫描技术，揭示运动纤毛核心轴丝的不对称分子架构。本文突破传统体外纯化局限，首次以原位冷冻电镜结合AI技术解析出哺乳动物精子轴丝的高分辨率结构，填补了哺乳动物中央微管精细结构的认知空白，还鉴定出8种全新中央微管组成蛋白，揭示CFAP47与HYDIN通过柔性连接桥稳固双微管的独特机制，并通过基因敲除与临床数据，建立轴丝结构缺陷与弱精症的关联，首次阐明相关致病机理，为纤毛功能研究与疾病诊疗提供新范式。

参考文献：

Tai L, Yin G, Huang X, Sun F, Zhu Y. In-cell structural insight into the stability of sperm microtubule doublet. Cell Discov. 2023;9(1):116. Published 2023 Nov 21. doi:10.1038/s41421-023-00606-3

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10663601/

9.哺乳动物径向RS的多尺度结构和室管膜纤毛轴丝复合物的分化

2024年1月8日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心丛尧教授团队在Nature Communications杂志上发表论文，本文以哺乳动物运动纤毛为研究对象，借助冷冻电镜与断层重构技术，突破哺乳动物放射RS结构解析瓶颈，首次以3.14埃近原子分辨率解析出RS头颈部复合体的单体与二聚体结构，阐明其亚基互作网络，揭示二聚体“开/关”及跷跷板式运动模式与逐步组装机制，并新鉴定RS1茎干亚基AK8；同时首次解析室管膜纤毛轴丝的原位结构，发现其缺失内动力蛋白臂IDA-b/c/e及Tektin纤维，明确与呼吸道纤毛、精子鞭毛的组织特异性差异并提出功能驱动的进化选择机制。此外，通过多尺度结构整合，阐明RS与中央微管的刚-弹性相互作用调控纤毛不对称摆动的新机制，还映射致病突变揭示原发性纤毛运动障碍病因，为纤毛结构功能研究与相关疾病诊疗提供新范式。

参考文献：

Meng X, Xu C, Li J, et al. Multi-scale structures of the mammalian radial spoke and divergence of axonemal complexes in ependymal cilia. Nat Commun. 2024;15(1):362. Published 2024 Jan 8. doi:10.1038/s41467-023-44577-1

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10774353/

10.多名PCD患者具有不同DNA变异的区域群集

2024年7月11日，德国明斯特大学医院普通儿科系Heymut Omran教授团队在European Respiratory Journal杂志上发表论文，本文依托1236名基因确诊PCD患者的跨国大样本，首次系统揭示纤毛相关46个基因的908种致病变异呈显著区域聚集性；明确基因型与纤毛表型及临床结局的强关联——既证实携带特征性纤毛超微结构缺陷相关变异者内脏反位率更高，也发现CCDC39、CCDC40、CCNO变异会导致纤毛功能损伤更重、肺功能显著降低，而DNAH11、ODAD1变异所致肺功能损伤较轻微；还指出区域变异分布差异直接影响透射电镜的PCD诊断敏感性，为纤毛相关疾病的精准诊断与预后评估提供新依据。

参考文献：

Raidt J, Shoemark A, Omran H, Haarman E, Mitchison HM, et al. Analyses of 1,236 genotyped primary ciliary dyskinesia individuals identify regional clusters of distinct DNA variants and significant genotype–phenotype correlations. Eur Respir J. 2024;64(2):2301769. doi:10.1183/13993003.01769-2023

原文链接：

https://discovery.dundee.ac.uk/ws/portalfiles/portal/139599863/Eur_Respir_J-2024-Raidt-2301769.pdf

11.哺乳动物运动纤毛轴丝的结构多样性

2025年1月1日，美国哈佛大学布莱维特研究所生物化学与分子药理学系Alan Brown教授团队在Nature杂志上发表论文，本文在纤毛研究方面，借助冷冻电镜、断层扫描及蛋白质组学技术，首次系统解析哺乳动物精子鞭毛与输卵管、脑室、呼吸道上皮纤毛轴丝双联微管的96-nm重复单元结构，创新发现精子轴丝最特化（含独特蛋白与结构），而上皮纤毛仅存组织间轻微差异；构建含181种蛋白的哺乳动物精子轴丝原子模型，阐明径向RS3的分子组成及ATP再生相关激酶的结合位点；还发现精子特有、锚定于轴丝的TRiC伴侣蛋白，解析出轴丝动力蛋白前冲状态构象，为理解纤毛运动调控机制及纤毛病、不育症病因提供依据与新范式。

参考文献：

Leung MR, Sun C, Zeng J, et al. Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia. Nature. 2025;637(8048):1170-1177. doi:10.1038/s41586-024-08337-5

原文链接：

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11779644/

12.纤毛外动力蛋白臂激活的分子基础

2025年9月29日，英国牛津大学威廉・邓恩病理学院Anthony J. Roberts教授团队在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表论文，本文借助蛋白质组学、体外重构及冷冻电镜技术，结合斑马鱼实验，揭示了运动纤毛外动力蛋白臂(ODA)的激活分子机制，还明确Shulin（四膜虫中的包装分子伴侣）的同源蛋白(DNAAF9)与IFT蛋白、ODA亚基的互作模式，其缺陷可能致ODA激活异常，为原发性纤毛运动障碍等疾病病因提供解释。本文突破此前包装分子伴侣Shulin/DNAAF9释放机制不明的瓶颈，发现活性态ARL3-GTP可通过结合DNAAF9产生空间位阻，还发现DNAAF9兼具ODA抑制与运输双重功能，可通过与IFT74/81互作介导ODA的纤毛内运输，拓展了对其在纤毛发生中角色的认知，同时建立该分子机制缺陷与PCD的关联，为纤毛相关疾病的机制研究与诊疗靶点挖掘提供新范式。

参考文献：

Issa KHB, Ren M, Burnet B, et al. Molecular basis for the activation of outer dynein arms in cilia. Nat Struct Mol Biol. Published online September 29, 2025. doi:10.1038/s41594-025-01680-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01680-9

本文系统梳理了2020年至2025年间在动纤毛基础研究领域的12项重要实验性研究进展和重要发现，可以看到该领域已从传统的形态学与运动学观察，全面迈入分子结构解析与疾病机制探索的精细化阶段。近年来，冷冻电镜、单颗粒重构、蛋白质组学以及人工智能辅助结构预测技术的融合应用，使研究者得以在近原子分辨率下揭示哺乳动物动纤毛的复杂结构与功能调控网络。未来，动纤毛研究将进入一个融合多学科与多尺度的深度发展阶段。随着冷冻电镜、动态模拟和高时空分辨成像技术的不断进步，研究者将能够实现动纤毛在结构、功能与病理之间的一体化解析，深入揭示其在打击节律、力学响应及信号传导中的瞬态调控机制。同时，动纤毛研究的临床转化将成为关键方向，通过建立涵盖PCD与鞭毛不育等相关疾病的“基因—结构—表型”数据库，有望推动分子诊断、致病突变预测及个体化靶向干预的实现。此外，类器官培养、单细胞组学与人工智能结构预测等新兴技术的融合，将促使研究从静态的结构图谱迈向动态的运动模型，进一步阐明纤毛在呼吸道防御、神经发育与生殖健康中的关键作用，为生命运动体系的理解与相关疾病的精准治疗奠定坚实基础。

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团队简介网络连接：伟德国际victor1946心血管分子靶标药理学与新药创制团队-伟德国际victor1946-伟的国际1946bv

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