纖毛是參與運動和外界信號感知的重要細胞器，其組裝和維持依賴于高度有序而保守的雙向鞭毛內運輸（intraflagellar transport，IFT）機制。胞質動力蛋白 2（cytoplasmic dynein-2）是介導反向運輸的馬達蛋白復合物，由~500 kD 的重鏈亞基和若干小的輔助亞基組成。2015 年，歐光朔研究組通過 CRISPR/Cas9 介導的條件性基因敲方法鑒定出部分胚胎發育必需的輔助亞基參與纖毛建成和 dynein- 2 組裝，并且呈現不同的動態轉向行為（Li et al., Journal of Cell Biology, 2015）。然而，dynein- 2 的核心成分——重鏈亞基是如何在纖毛中定位、運動以及被調控的并不清楚。

本研究利用基因組編輯技術對 dynein- 2 重鏈 CHE- 3 進行了綠色熒光蛋白（GFP）基因敲入，首次在活體多細胞動物中對 dynein- 2 重鏈進行了觀察和分析。高分辨率活體實時成像結果顯示，dynein- 2 介導的反向 IFT 呈現三相模式，即在纖毛尖端區域，反向 IFT 速度約 1.2 μm/s，在纖毛中間區域，反向 IFT 達到 1.5 μm/s，而在纖毛基部，IFT 速度又下降至 1.2 μm/s。進一步通過 CRISPR/Cas9 敲入疾病相關突變位點，課題組發現 CHE- 3 尾部結構域中 R295C 突變破壞這一運動模式，提示尾部結構域及可能與之結合的輔助亞基或貨物對 dynein- 2 的運動具有精細的調控作用。通過對一系列截短突變形式的 GFP::CHE- 3 進行定位分析，課題組發現重鏈亞基的纖毛定位依賴于其尾部結構域、中間輕鏈、IFT 顆粒亞復合物 IFT-B。這些結果表明在正向運輸過程中，dynein- 2 作為驅動蛋白 kinesin- 2 的貨物，通過 IFT 顆粒與尾部結構域被運輸進入纖毛。IFT 顆粒亞復合物 IFT- A 參與反向 IFT，但其對 dynein- 2 的調控作用仍不清晰。利用 GFP 免疫共沉淀（immunoprecipitation，IP）和質譜分析，研究組克隆了尚未被發現的線蟲 IFT- A 成分 IFT43 蛋白，并發現在反向 IFT 過程中，IFT43 和 IFT139 可能通過連接 IFT 顆粒與 dynein- 2 重鏈的尾部結構域，從而激活這一馬達蛋白�；�于以上結果，課題組提出了纖毛中較為完整的 dynein- 2 的運動模型（圖 1）。

圖 1. 在線蟲中，同屬于驅動蛋白 2 家族的驅動蛋白 II 和 OSM-3/Kif17 共同作用介導正向運輸過程。該過程中，dynein- 2 作為貨物被運輸進入纖毛。在纖毛尖端，IFT43 和 IFT139 通過連接 IFT 顆粒與 dynein- 2 重鏈的尾部結構域，激活 dynein-2。不同的輔助亞基在纖毛中間區域轉向，并進一步促進 dynein- 2 的運動。在纖毛基部，dynein- 2 可能通過過渡區（transition zone）以及其他因子的作用而減速。

論文的通訊作者是歐光朔教授，博士生易培珊是該文章的作者。相關蛋白質質譜工作得到了北京生命科學研究所董夢秋老師和李文君同學，清華質譜平臺鄧海騰老師和張文浩同學的大力幫助。線蟲遺傳學中心（Caenorhabditis Genetics Center）為本研究提供了部分線蟲品系。本研究工作得到了生命科學聯合中心、科技部、國家自然科學基金委等相關機構和 Newton Advanced Fellowship 的經費資助。