细胞内测量长度的蛋白质

细胞内测量长度的蛋白质
你是否能测量奈米大小的长度呢?奈米是毫米的百万分之一，比头发尖端更微细，无法徒手测量。在人类细胞内，具有无数固定长度或大小的构造，细胞合成这些构造时，究竟是如何测量它们的长度呢? 有研究者提出奈米分子尺规假说，认为存在固定长度的蛋白质作为奈米分子尺规(简称奈米尺)，来调控这些构造的长度。虽过去研究指出较为原始的原核生物如细菌或病毒等具有奈米尺，但仍不知高等生物如人类是否也有奈米尺。

日本东京大学医学研究所的研究团队，使用超低温电子显微镜首次证实高等生物也有奈米尺，分布于人体气管、精子、输卵管、及脑室细胞的丝状结构纤毛或鞭毛中以维持机能运作，研究结果2014年11月刊载于科学期刊Science。

纤毛与鞭毛的结构几乎相同，其长度数微米至数十微米，粗细200奈米左右，是一种非常微细的细胞突出丝状构造，能藉形成水波引发液体流动。例如：精子摆动尾部的鞭毛以向前移动；纤毛摆动可排出进入气管内的异物、协助卵子在输卵管内前进、引发大脑内脑脊髓液的流动等。纤毛运动是由动力蛋白dynein驱动，dynein以96奈米为单位，以相同重复结构整齐排列。该研究团队发现，告知细胞96奈米长度的物质是FAP59及FAP172蛋白复合体-奈米尺。

Kartagener病患的纤毛无法正常摆动。已知FAP59及FAP172蛋白复合体变异缺少，是Kartagener病症的主要致病原因，但不知为何缺少此蛋白复合体，纤毛摆动就出现异常。为解开其机制，研究团队使用超低温电子显微镜，观察该蛋白复合体缺损的纤毛构造，发现上述96奈米为单位，相同的重复结构完全消失。故认为FAP59及FAP172蛋白复合体，可能作为96奈米尺，维持机能运作。

若FAP59及FAP172蛋白复合体真的作为奈米尺，当它的长度改变，细胞内的结构也应会产生变化。果然，藉由基因操控，将FAP59及FAP172蛋白复合体长度变长，成功制造出自然界不存在、120或128奈米为单位的重复结构。也发现它不仅扮演奈米尺的角色，也决定动力蛋白dynein的排列顺序。通常，96奈米的重复结构， A至G共7种动力蛋白dynein，以A-B-C-E-G-D-F的顺序排列，但若操控奈米尺基因，则能制造出A-B-C-E-C-E-G-D-F或A-A-B-C-E-G-D-F-F的人工蛋白质序列。利用奈米尺特性，有希望能任意配置动力蛋白的排列顺序，制造出人工的奈米机器。

纤毛运动不全所造成的Kartagener病症，是相当严重的疾病。若纤毛无法摆动，气管无法排出异物而易导致肺炎；精子无法运动会导致不孕；脑脊髓液滞留在脑室会导致脑水肿；或心脏与肝脏的位置相反，造成内脏异位，导致畸型。该研究发现这些Kartagener病症，都是因纤毛的奈米尺缺损导致dynein蛋白质机能异常。

1.动力蛋白 : motor protein，细胞中本身可以运动的蛋白质。例如使纤毛摆动的dynein，脑或神经中调控物质搬运的kinesin，使肌肉运动的myosin。

2.超低温电子显微镜 : 将细胞或生物体内分子瞬间冻结，使用高解析电子显微镜直接观察的方法。

3.内脏异位 : 小鼠内脏的左右位置，受到胚胎发育初期的原结活动所决定。后来透过电子显微镜及高速视讯显微镜观察数种脊椎动物胚胎，发现原结周边的纤毛，高速旋转所产生水流，会决定内脏的左右位置。Kartagener病患因纤毛异常，易产生内脏异位，导致畸型。