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單細胞原生動物在自然界中展現(xiàn)出令人驚嘆的運動能力，其中以旋口蟲和鐘蟲的超快速細胞收縮最為矚目。這些原生動物細胞如此之快的收縮運動，早在列文虎克1677年所發(fā)表論文中第一組顯微鏡下的發(fā)現(xiàn)便已描述。此類細胞的超快速收縮依賴于鈣離子而不直接依賴于ATP，因此與ATP依賴的Actin-Myosin以及Microtubule-Dynein/Kinesin系統(tǒng)截然不同，代表了一類嶄新的分子動力系統(tǒng)。長久以來，其分子基礎和機制仍不清楚。
旋口蟲是一種長度近1毫米的大型原生動物纖毛蟲，其細胞可在5毫秒內(nèi)收縮四分之三的體長，實現(xiàn)超快速細胞收縮。如以體長為單位，這種細胞收縮幾乎是生物世界中最快速的運動形式之一。
近日，中國科學院水生生物研究所繆煒研究員團隊以旋口蟲為研究對象，在獲得高質量旋口蟲基因組的基礎上，利用超分辨顯微成像和RNAi等關鍵技術，證明了旋口蟲細胞的超快速收縮系統(tǒng)的分子和結構基礎為兩個長度大于1萬個氨基酸的巨型蛋白（GSBP 1和2）和兩個鈣離子結合蛋白（Spasmin 1和2）形成的網(wǎng)狀細胞骨架。這一網(wǎng)狀骨架通過與微管組成的細胞骨架、線粒體和內(nèi)質網(wǎng)等亞細胞結構耦合，非常好的滿足了超快速細胞收縮系統(tǒng)所需具備的生物和物理條件。
巨型蛋白和鈣離子結合蛋白形成的網(wǎng)狀收縮骨架及其與微管骨架的耦合
本研究一方面為后續(xù)深入探索超快速細胞收縮系統(tǒng)的分子機制奠定了基礎；另一方面，為利用合成生物學手段構建相應的分子機器/細胞骨架提供了設計藍圖。組學方法與細胞、遺傳和分子生物學等手段的聯(lián)合，為深入開展非模式原生動物的研究提供了參考方案。
收縮（左）和伸展（右）狀態(tài)下的旋口蟲細胞（Featured image, https://www.science.org/journal/sciadv）
該工作近期以“Giant proteins in a giant cell: molecular basis of ultrafast Ca2+-dependent cell contraction”為題在線發(fā)表于Science Advances雜志。研究中所拍攝的收縮和伸展兩種狀態(tài)下的旋口蟲細胞照片被選為Science Advances雜志當期的"Featured image"。水生所張晶博士及研究生秦微微、胡澈、谷思雨為論文的共同第一作者，繆煒研究員、熊杰研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院先導專項、國家自然科學基金的資助，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。