研究人员发现一种主要基因multicilin告诉细胞长出多种毛状纤毛(粉红色)，图片来自美国沙克生物研究中心。
美国沙克生物研究中心科学家鉴定出一个告诉细胞生长出许多纤毛---让液体流经肺部和大脑的微小毛状结构---的基因。这一发现可能有助科学家开发出利用干细胞替换肺部和其他器官中受损组织的新治疗方法。
领导该研究的是沙克生物研究中心分子神经学实验室教授Christopher R. Kintner，他说，“带有许多纤毛的细胞发挥着重要作用，包括让液体流经呼吸道、大脑和脊髓。知道指导细胞长出许多纤毛的基因有助于理解我们可能如何诱导干细胞分化为这种细胞类型，然后我们能够使用它来修复受损组织。”
2012年1月8日，这些发现在线发表在《自然-细胞生物学》期刊上。Kintner和他的合作者Jennifer Stubbs和Eszter Vladar起初是通过研究非洲爪蟾(Xenopus laevis)胚胎来做出这一发现的。
多纤毛细胞在胚胎外面长出，使得它们能够容易研究指导青蛙细胞长出许多类似人类纤毛的纤毛的遗传机制。人类和其他有机体的纤毛是从我们的单细胞原始祖先(primordial ancestor)中遗传下来的，这些原始祖先作为一种推进装置形式使用这些拍打结构。我们身体中大多数细胞延伸出单根非移动性的纤毛，它被作为一支微小的天线来检测化学和物理刺激。但是特定组织需要带有100到200根移动性的纤毛的细胞，这些纤毛一同拍打让液体流经身体。
这些细胞有助于推动脑脊髓液流经大脑和脊髓，从而有助于循环和更新这种液体。在呼吸系统中，这些纤毛推动粘液捕获从气管向下进入肺部的灰尘、致病菌和其他外来物质，从而有助于阻止传染。
Kintner和Stubbs之前在《自然-遗传学》上发表一篇研究论文，鉴定出一种促进单根移动性纤毛生长的蛋白FoxJ1。然而不清楚的是某种细胞如何以一种导致每个细胞长出上百根移动性纤毛的方式激活FoxJ1。
在他们的这项新研究中，Kintner和他的合作者鉴定出一种基因，它产生另一种他们称之为多纤毛素(multicilin)的蛋白，该蛋白告诉细胞长出许多纤毛。当细胞暴露在多纤毛素中，它们长出许多纤毛的遗传机制被激活。在发育中的胚胎里，这种蛋白指导某种位于肺部、肾脏和皮肤表面的干细胞发育为多纤毛细胞。
当研究人员抑制多纤毛素发挥作用时，青蛙的皮肤和肾脏不能长出多纤毛细胞。他们也发现多纤毛素对于位于小鼠气管表面的细胞长出许多纤毛是必需的和充足的。
Kintner说，“这意味着多纤毛素在许多不同器官中指导这些细胞的发育。多纤毛细胞如何发育之前一直是一个谜，不过这项研究解决了大部分谜团。”
Kintner注意到患有诸如慢性哮喘、肺气肿和囊肿性纤维化(cystic fibrosis)之类呼吸道疾病的病人经常遭受肺部感染，这可能是由于将保护性粘液从气管中移走的多纤毛细胞受损导致的。在未来，干细胞治疗可能用新的纤毛细胞替换这些受损的细胞，但是科学家首先需要知道如何指导干细胞沿着发育途径长成多纤毛细胞。
Kintner说，“我们的发现提示着多纤毛素可能对于干细胞分化为作为替换之用的细胞是至关重要的。它是开发干细胞治疗所必需的一步。”(生物谷：towersimper编译)
doi:10.1038/ncb2406
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Multicilin promotes centriole assembly and ciliogenesis during multiciliate cell differentiation
J. L. Stubbs, E. K. Vladar, J. D. Axelrod & C. Kintner
Multiciliate cells function prominently in the respiratory system, brain ependyma and female reproductive tract to produce vigorous fluid flow along epithelial surfaces. These specialized cells form during development when epithelial progenitors undergo an unusual form of ciliogenesis, in which they assemble and project hundreds of motile cilia. Notch inhibits multiciliate cell formation in diverse epithelia, but how progenitors overcome lateral inhibition and initiate multiciliate cell differentiation is unknown. Here we identify a coiled-coil protein, termed multicilin, which is regulated by Notch and highly expressed in developing epithelia where multiciliate cells form. Inhibiting multicilin function specifically blocks multiciliate cell formation in Xenopus skin and kidney, whereas ectopic expression induces the differentiation of multiciliate cells in ectopic locations. Multicilin localizes to the nucleus, where it directly activates the expression of genes required for multiciliate cell formation, including foxj1 and genes mediating centriole assembly. Multicilin is also necessary and sufficient to promote multiciliate cell differentiation in mouse airway epithelial cultures. These findings indicate that multicilin initiates multiciliate cell differentiation in diverse tissues, by coordinately promoting the transcriptional changes required for motile ciliogenesis and centriole assembly.
