Science | 周正洪团队揭示布鲁氏锥虫鞭毛运动机制，为抗寄生虫药物研发提供新思路

摘要：锥虫（Trypanosoma）是一类单细胞寄生虫，广泛分布于非洲、南美洲等地区，是导致人类和牲畜严重疾病的重要病原体。其中，布氏锥虫（Trypanosoma brucei）是非洲昏睡病的主要病原体，而克氏锥虫（Trypanosoma cruzi）则导致南美洲的

锥虫（Trypanosoma）是一类单细胞寄生虫，广泛分布于非洲、南美洲等地区，是导致人类和牲畜严重疾病的重要病原体。其中，布氏锥虫（Trypanosoma brucei）是非洲昏睡病的主要病原体，而克氏锥虫（Trypanosoma cruzi）则导致南美洲的恰加斯病。这些寄生虫通过昆虫媒介传播，感染后会导致宿主严重的免疫反应和器官损伤，甚至死亡。尽管锥虫病在全球范围内造成了巨大的健康和经济负担，但目前针对这些寄生虫的治疗手段仍然有限，且存在耐药性问题。

布鲁氏锥虫有一根沿细胞侧面延伸的鞭毛，鞭毛的摆动从鞭毛远端向基部传播，并伴随整个细胞绕其长轴旋转，介导锥虫向前移动。这种鞭毛的运动方式与其他物种不一样，可以使其适应于在粘性环境中穿行，例如昆虫媒介和哺乳动物宿主体内的环境。锥虫的鞭毛在其生命周期中扮演着至关重要的角色。鞭毛不仅是锥虫运动的驱动力，还参与了寄生虫的复制、传播和致病过程。鞭毛的核心结构是由“9+2”结构的轴丝（axoneme）和平行于轴丝的副鞭毛杆（paraflagellar rod， PFR）组成，其复杂的分子机制长期以来一直是科学家们研究的焦点。然而，由于锥虫鞭毛结构的复杂性和独特性，其分子细节和运动机制仍有许多未解之谜。

2025年3月14日，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授和Kent Hill教授联合团队在Science杂志上发表了一篇题为Trypanosome doublet microtubule structures reveal flagellum assembly and motility mechanisms的长文，解析了布氏锥虫鞭毛双联微管（doublet microtubules,DMTs）96 nm重复单元的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了鞭毛组装和运动的分子机制。该研究的第一作者夏显博士即将入职武汉大学，继续从事病毒和寄生虫等相关领域的冷冻电镜原位结构研究。

研究团队利用冷冻电镜技术获得了布氏锥虫鞭毛双联微管的高分辨率结构（最高分辨率达2.8 Å），并结合遗传学、蛋白质组学和AI辅助建模等手段，总共鉴定了154种轴丝蛋白并构建其原子模型，揭示了鞭毛组装和运动的保守机制以及锥虫特有的分子特征。这些蛋白包括微管内蛋白（MIPs）、微管外蛋白（MOPs）、外周动力蛋白（ODAs）、内周动力蛋白（IDAs）、Radial spokes和N-DRC（Nexin-Dynein Regulatory Complex）等。研究揭示了锥虫鞭毛轴丝的复杂分子组成，并发现了40种锥虫特有的蛋白。与人类相比，锥虫的鞭毛具有更多的微管内蛋白，包括锥虫特有的ponticulus结构，这一研究不仅为理解锥虫鞭毛的运动机制提供了新的见解，还为开发针对锥虫病的药物提供了潜在的靶点。

图1. 真核生物进化树以及布鲁氏锥虫鞭毛双联微管的高分辨率结构

令人意想不到的是，该研究捕获到DMT处于弯曲状态，每个96 nm重复单元弯曲约3°，B微管位于凹侧，并且动力蛋白处于前动力冲程（pre-power stroke）构象。这一观察结果与先前T. brucei完整轴丝的cryoET结构以及其他物种分离的DMT高分辨率结构不同，后者的DMT通常呈直线，且动力蛋白处于后动力冲程（post-power stroke）构象。与后动力冲程状态相比，外周动力蛋白和内周动力蛋白的马达结构域在前动力冲程构象中向微管负端移动约9 nm，这一构象变化向尾部传递，使其围绕动力蛋白的锚定位点向上和向前摆动。动力臂通过ATP水解产生的能量驱动相邻双联微管的相对滑动，从而引发鞭毛的摆动。研究还发现，锥虫的外周动力蛋白和内周动力蛋白在结构和功能上与其他生物种存在显著差异，这些差异可能与锥虫独特的运动方式有关。通过对动力臂结构的分析，研究团队提出了一个“龙舟模型”（dragon boat model）来解释动力臂如何驱动鞭毛运动。该模型描述了动力臂在ATP水解过程中发生的构象变化，以及这些变化如何导致相邻双联微管的相对滑动。

图2. 动力蛋白驱动相邻双联微管运动的“龙舟模型”

这一研究拓展了人们对构建和驱动运动轴丝所需机制的基础认识，同时鉴定了寄生虫特有的适应性特征，这些特征可能成为治疗或传播阻断策略的靶点。研究表明，轴丝DMT的弯曲机制早在真核生物进化上最后的共同祖先时期或更早就已建立，而真核生物的多样化则伴随着物种特异性轴丝蛋白的出现，这些蛋白可以调控鞭毛的特性。这些进化适应使不同生物和细胞类型能够产生符合其特定功能和环境需求的鞭毛运动特点。

值得一提的是，

Science同期发表了来自哈佛大学Alan Brown课题组和圣路易斯华盛顿大学张锐课题组的联合研究，报道了两种不同锥虫（利什曼原虫和束状带短膜虫）的鞭毛48 nm重复单元结构，鉴定了51个轴丝蛋白，两篇文章相互印证，说明了锥虫属寄生虫鞭毛结构的独特性。