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真核細胞依賴形態的動態變化來執行多種功能，以維持基本生物過程并調控細胞行為。單細胞捕食性原生動物——長吻蟲，其形態與天鵝相似，其中常見種天鵝長吻蟲（Lacrymaria olor）因此得名。長吻蟲細胞在結構上可劃分為三個部分：從后端到前端依次為胞體、“頸部（脖子）”和“頭部（口器）”。長吻蟲通過不斷伸縮其細胞頸來搜索和捕捉獵物，在這一過程中，頸部可以延伸至胞體長度的30倍之多，展現出極致的動態形態變化。這種細胞極致動態形變背后所蘊含的分子材料仍然未知。
細胞頸收縮（左）和伸長（右）兩種狀態下的長吻蟲細胞
長吻蟲細胞頸的快速伸縮和動態形變
長吻蟲通過細胞頸不斷伸縮實現360度的空間搜索
近日，中國科學院水生生物研究所繆煒研究員團隊在對從武漢東湖分離的天鵝長吻蟲進行行為模式分析的基礎上，在細胞培養密度受限的條件下，通過長期大規模培養，成功獲得了其高質量基因組。此外，研究團隊還通過顯微手術分離出數千個細胞頸進行質譜分析，鑒定了頸部的蛋白質成分。在此基礎上，利用超分辨顯微成像和雙束掃描電鏡等技術，揭示了長吻蟲細胞皮層中的兩種關鍵細胞骨架：肌絲骨架（myoneme cytoskeleton）和微管骨架（microtubule cytoskeleton）。肌絲骨架由centrin-myosin蛋白組成，在頸部和胞體之間表現出明顯差異的分布模式。微管骨架中含有一種形成梯狀結構的新型巨型蛋白，在頸部與肌絲骨架靠近，而在胞體中則與之分離。這一獨特的排列使得頸部可以獨立于胞體，展現出驚人的動態形態變化。新發現的這些蛋白成分表明，長吻蟲通過新型的細胞骨架系統實現其極致的形態變化。
長吻蟲細胞中的兩種關鍵細胞骨架：肌絲骨架（紅色）與微管骨架（綠色）
兩種關鍵細胞骨架的3D重構
長吻蟲細胞頸收縮（左）和伸長（右）兩種狀態下的肌絲骨架差異
長吻蟲頸部極致動態形變的分子模型假設
本研究是繼發現依賴鈣離子的新型細胞骨架是原生動物旋口蟲細胞超快速收縮的分子基礎后（Science Advances,2023），通過研究單細胞原生動物的極致運動形式，發現的第二類新型細胞骨架系統。這一發現對于理解生物運動以及細胞骨架的進化與多樣性具有重要意義。同時，該研究為生物仿生及利用合成生物學手段構建相應的分子機器，提供了重要的理論基礎與設計藍圖。
該工作近期以“Dynamic shape-shifting of the single-celled eukaryotic predator Lacrymaria via unconventional cytoskeletal components”為題發表于Current Biology雜志，水生所研究生秦微微、胡澈和谷思雨為論文的共同第一作者，繆煒和熊杰研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助，以及水生所分析測試中心、中國科學院超級計算武漢分中心和國家水生生物種質資源庫的支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(24)01214-4