纤毛（Cilia）是真核细胞表面普遍存在的毛发状细胞器，分为静纤毛和动纤毛两大类。静纤毛作为信号感受器，动纤毛则通过摆动驱动细胞运动和周围液体流动，参与呼吸道清洁、脑脊液循环等生理过程，其功能障碍会引发多种遗传病，包括发育异常、慢性呼吸道感染、脑积水和不孕不育等，统称为原发性纤毛运动障碍。纤毛相关的核心结构包括基体（BB）、轴丝和过渡区（TZ）。基体由九组三联体微管（TMT）组成旋转对称的桶状结构，在哺乳动物多纤毛细胞中主要在摇篮体（deuterosome）上发生。轴丝由基体延伸，形成9组二联体微管（DMT）。运动纤毛的轴丝通常还有一对中央微管（CP），因而呈现 “9+2”结构。过渡区位于轴丝基部，与纤毛膜共同形成控制分子进出的屏障。

2025年7月1日，郭强课题组与合作者在《Nature Communications》发表了题为“In situ cryo-electron tomography reveals the progressive biogenesis of basal bodies and cilia in mouse ependymal cells”的研究论文。该研究以哺乳动物多纤毛细胞中的小鼠脑室管膜细胞（mEPCs）为模型，借助冷冻光电联用技术（cryo-CLEM）、冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术，通过荧光标记定位摇篮体蛋白Deup1，首次在细胞内原位捕获多纤毛发生的动态全景（图1），解析了基体与轴丝的组装过程，并揭示了微管内部蛋白（MIP）的时序性结合，为理解多纤毛发生和成熟的机制提供了新的见解。

图1. mEPCs内通过摇篮体依赖途径形成的基体生成（a-b）和纤毛形成过程（c-d）

借助子断层平均技术，研究团队将基体结构解析至亚纳米分辨率，并将基体沿轴向划分为三个结构域。其中，近端区域与基体形成所需的车轮（cartwheel）结构关联，中间和远端区域由内支架稳定，且远端区域TMT的C管原丝从C10逐步丢失，最终形成仅含6根原丝的不完整结构。而且，一个由27根棒状结构（27 rods）组成的环形结构在基体近端区域组装完成后出现，且在TMT延伸过程中持续定位于基体远端，并成为基体TMT与轴丝DMT的明确边界。

有趣的是，通过结构比较，本研究发现TMT与未成熟DMT微管腔内存在一个新的蛋白，通过建立一种基于AlphaFold2结构预测与电子密度匹配打分的蛋白质鉴定方法，研究团队鉴定出一个新的微管内部蛋白CEP41，它在基体中持续定位于B02和C02原丝，而在轴丝中则随纤毛发生与成熟呈现动态分布：从覆盖全轴丝到聚集轴丝远端，最终定位在轴丝亚远端区域。CEP41缺失会抑制多纤毛形成并缩短纤毛长度，表明其对多纤毛成熟有关键调节作用。而且，研究人员发现纤毛成熟还伴随着MIPs周期性排布的重塑。尽管基体和过渡区处的MIPs保持8 nm周期性，过渡区之上的轴丝微管内部蛋白NME7和CEP41却随纤毛成熟逐步脱落，而PACRG等蛋白质则逐步组装，最终形成经典的48 nm周期。

图2. 基体发生与纤毛形成的调控模型

综上所述，该研究提出“基体—纤毛四阶段组装模型”（图2）：基体起始、基体成熟（27 rods界定远端）、过渡区形成（TMT向DMT转换）及纤毛逐步成熟（MIPs周期性重塑）。这一模型填补了哺乳动物多纤毛发生过程中的结构空白，描绘了从基体发生到纤毛形成这一动态过程，有助于深入理解纤毛的结构与功能，并为探索纤毛病的发病机制及潜在治疗靶点提供了理论依据。

北京大学马山山博士、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士生李娈、北京大学博士生李智勋、骆申家和浙江大学刘琦博士为该研究的共同第一作者。北京大学郭强研究员、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心朱学良研究员和浙江大学桂淼研究员为该研究的共同通讯作者。该工作中冷冻电镜样品制备和数据采集在北京大学冷冻电镜平台完成，数据处理获得了昌平实验室冷冻电镜平台的硬件和技术支持。该研究得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、良渚实验室、昌平实验室和生命科学联合中心等的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61015-6