《细胞》：改写教科书，几乎被所有人忽视的细胞结构上有了新发现

▎药明康德内容团队编辑

我们体内几乎每个细胞都长着一根初级纤毛（primary cilium）。主流的一种理论认为，这可能是我们单细胞祖先留下的遗迹。有些初级纤毛，例如肺部细胞或精子尾巴上的那些，在细胞发育成熟后仍然发挥运动检测的作用，但大多数细胞发育成熟后保留的初级纤毛是否有用、有什么用，连科学家都所知甚少。由于很难用传统的成像技术看清，这种微小的附属结构通常会被人忽略。

对于神经科学家Shu-Hsien Sheu博士来说，神经细胞上的初级纤毛也是一种陌生事物，直到前几年他开始在霍华德·休斯医学研究所（HHMI）Janelia Research Campus做博士后才仔细观察这些毫不起眼的初级纤毛。

▲研究人员在顶尖学术期刊《细胞》上报告了他们关于神经元初级纤毛的新发现

借助先进的增强聚集离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM），Sheu博士和同事们首次发现，神经元表面的初级纤毛和另一个神经元的轴突之间形成一种特殊的连接。

这种连接的特征非常类似所谓的“神经突触”，也就是神经细胞之间传递信号的结构。只不过，我们知道的“经典”突触是由一个神经元的轴突和其他神经元的树突之间形成。因此，研究小组把新发现的这种连接命名为“轴-纤型突触”（axo-ciliary synapse）。

▲由FIB-SEM生成的三维图像显示了轴突与初级纤毛形成的新型突触。黄色表示海马神经元伸出的初级纤毛，蓝色表示一个脑干神经元伸出的轴突，通过囊泡（白色）释放化学信号分子；右图为左图中箭头所指部分的放大（图片来源：参考资料[2]）

紧接着，这支研究小组利用新开发的生物传感器和化学工具，深入探索这种新型突触究竟在神经元之间传递了什么信号，使用前沿的荧光寿命成像（FLIM）技术进一步测量纤毛内发生的生物化学事件。

结果显示，由初级纤毛参与的新型突触，传递的信号可能给细胞带来长期改变，它们快捷地信号直接发送到神经元的细胞核，诱导染色体发生变化。

研究人员观察到，海马神经元的纤毛上分布着专门的5-羟色胺受体（5-HTR6），当脑干延伸出来的神经元从轴突释放出化学信号分子5-羟色胺，纤毛上的受体接收到信号会在细胞内触发一系列生化反应，最终改变细胞核中的基因组物质，尤其是表观遗传状态。根据受影响的染色质编码的蛋白质，细胞的变化可能持续数小时，也可能持续数天、甚至数年。

▲研究示意图：5-羟色胺信号从一个神经元的轴突传递到另一个神经元的初级纤毛，信号快速传递到后者的细胞核内（图片来源：参考资料[1]）

研究负责人David Clapham研究员指出，这些初级纤毛从靠近细胞核的位置向外延伸，距离细胞核内的基因组物质很近，因此这种新型突触可以为细胞提供更特异地方式快速推动染色体变化。

这项研究关注到的5-羟色胺是一种在大脑中作用广泛的神经递质，参与记忆、睡眠、情绪等多种大脑功能。未来，通过深入了解这些初级纤毛突触和特异性受体的作用，科学家有望开发更具选择性的药物，治疗抑郁症、增强记忆或是调节睡眠等。此外，除了5-羟色胺受体，研究人员发现神经元的初级纤毛上至少有7~10种其他受体用于接收不同化学信号，值得进一步考察它们的作用。

题图来源：123RF

参考资料：

[1] Sheu et al., 2022, A serotonergic axon-cilium synapse drives nuclear signaling to alter chromatin accessibility. Cell Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.026

[2] Janelia scientists discover new kind of synapse in neurons’ tiny hairs. Retrieved Sep. 2, 2022 from https://www.janelia.org/news/janelia-scientists-discover-new-kind-of-synapse-in-neurons-tiny-hairs

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