《Seminars in Cell & Developmental Biology》：Tetrahymena as a model organism for cilia research
纤毛是进化上保守的细胞器，对细胞运动和信号传导至关重要，其功能障碍与多种人类疾病相关。纤毛虫四膜虫因其丰富的运动纤毛、遗传可操作性以及适用于生物化学和结构分析，成为解析纤毛生物学的强大模型生物。本综述突出了四膜虫的生物学和实验优势，并总结了其为理解纤毛结构和功能所提供的关键见解。四膜虫研究阐明了轴丝和双联微管的组织结构、微管内蛋白（MIPs）的结构和作用，以及由连接蛋白-动力蛋白调节复合体（N-DRC）、辐条、中央对和鞭毛内运输（IFT）机制形成的调控网络。此外，该体系的研究在确定微管蛋白的翻译后修饰及其功能影响方面发挥了重要作用。除轴丝外，本文还讨论了在理解基体（BB）组织、结构和组装方面的进展。这些贡献共同确立了四膜虫作为纤毛研究基础模型的地位。
纤毛和中心粒是进化上保守的、基于微管的细胞器，对细胞运动、信号传导和发育至关重要。中心粒形成基体（BBs），后者停靠于膜并作为模板指导纤毛组装。在人类中，运动纤毛驱动气道黏液清除、输卵管卵子运输和大脑脑脊液循环等过程。纤毛结构或功能缺陷会导致一系列称为纤毛病（ciliopathies）的疾病，因此理解纤毛组装和运动的分子机制至关重要。其进化上的保守性使得模式生物能够提供与人类疾病相关的宝贵见解。历史上，关于纤毛结构、其架构和组成的许多发现都归功于对纤毛虫四膜虫、草履虫以及绿藻衣藻的广泛研究。尽管它们在大多数情况下不能完全反映哺乳动物系统，但这种进化上的分歧却因祸得福。这种分歧使研究人员能够研究纤毛生物学中高度保守和物种特有的独特设计过程。
四膜虫是自由生活的纤毛虫原生生物，属于四膜虫科。它们在自然界中普遍栖息于大多数淡水水体。作为纤毛虫纲（常称为纤毛虫门）的成员，它们在解剖学上是全身布满纤毛的。最初，名称T. pyriformis作为形态上不可区分的一类纤毛虫的集合分类群。在[1]进行系统重新分类后，T. pyriformis名称仅保留给无性菌株，而T. thermophila则表现出核二型性，具有生殖系小核和体细胞大核，并且能够在有性和无性生殖周期之间交替。四膜虫易于在实验室培养。其多纤毛的特性允许纯化大量的纤毛和BBs。除了易于培养和维持菌株外，该生物体也是基因组操作的便捷工具。四膜虫中的正向和反向遗传学都能实现高效的基因功能丧失和获得操作，有助于生成特定突变体和发现对纤毛结构、功能和维持至关重要的关键基因[2]。研究人员还可以从位于圣路易斯华盛顿大学的国家四膜虫保藏中心轻松获得广泛的T. thermophila突变体和相关物种[3]。T. thermophila完全测序且注释良好的基因组，可通过四膜虫基因组数据库访问，为纤毛生物学和分子细胞生物学研究提供了宝贵的资源[4]。这种可操作性使四膜虫成为纤毛生物学研究的领先模式生物，尤其是在结构功能层面。
在其整个身体表面，排列着成套的运动纤毛（图1A）。大约20行纤毛覆盖在每个细胞的表面，这些纤毛突起从BBs中伸出。该生物体中的纤毛主要用于运动、趋化性并表现出复杂的生物力学运动。除了纤毛搏动外，这类纤毛还表现出前进和后退的运动能力，这与化学环境改变后的反应相结合，这一术语常称为趋化性。为了进食，这些生物体利用口纤毛产生强大的水流，将营养物质导向口器，营养物质随后通过吞噬作用被内化。与分布于整个细胞体的运动纤毛不同，口纤毛局限于口器内的特定区域，称为膜板（图1A）。虽然口器中BBs的组织方式与皮层区域不同，但口部和皮层BBs及纤毛之间的整体组成差异程度仍是一个未解之谜。
纤毛结构的核心是被称为轴丝[5]，[6]（图1B）的高度组织化的动态细胞骨架网络排列。这些轴丝的核心结构附着有两条称为中央对的单联微管。周围辐射排列着九条双联微管。轴丝为其他基于微管的蛋白，如动力蛋白臂和辐条，提供了支架基础，这些蛋白对于产生导致纤毛搏动的力至关重要。动力蛋白臂在双联微管之间产生滑动力，而辐条和连接蛋白-动力蛋白调节复合体（N-DRC）则分别在纤毛弯曲过程中维持形状并参与高频搏动。轴丝的其他关键结构包括N-DRC和辐条。纤毛搏动需要受到严密控制，尤其是在外部环境波动的情况下。这些受控的纤毛搏动需要在空间和时间上调控动力蛋白马达的抑制，这由辐条和N-DRC共同完成。与中央对一起，这两个结构形成了一个机械调节反馈系统，确保动力蛋白活性被正确转化为微管弯曲并产生有规律的纤毛波形。在纤毛的远端尖端，微管的结构更为多样化，双联微管仅延续为单联微管。该区域由特化的纤毛帽和塞状结构定义，它们作为末端锚点，分别将中央对微管和单联微管的末端固定到纤毛膜上，并防止解聚，有效地封闭了轴丝的远端生长[7]（图1C）。
在本综述中，研究人员旨在剖析和阐述该生物体中纤毛和基体（BB）架构组件的重要特征及其功能，并与高等真核生物进行可比的类比，以突出四膜虫作为纤毛生物学研究的模型系统。
四膜虫对纤毛结构和功能的见解
轴丝结构
微管蛋白是纤毛和BB的主要结构成分。早期对四膜虫的超微结构研究在纤毛外纤维中鉴定出微管蛋白[8]，这与[9]在海胆精子鞭毛中将其生化鉴定为主要成分的工作相吻合。这两条平行的研究路线确立了微管蛋白作为纤毛微管的基本构建单元，并促进了其分离和表征。后来的研究表明，α-和β-微管蛋白组装成原丝，形成轴丝的双联微管[10]，[11]，[12]。
早期对四膜虫和衣藻纤毛的冷冻断裂深度蚀刻电子显微镜（EM）研究塑造了研究人员对双联微管96纳米重复单元以及外动力蛋白臂和内动力蛋白臂组织、中央对和辐条的理解[13]，[14]（图2A）。四膜虫双联微管的96纳米结构后来通过冷冻电子断层扫描（cryo-ET）得到解析[21]（图2B，C）。该结构提供了与衣藻[22]进行比较的关键点，展示了不同原生生物谱系中轴丝重复单元的结构多样性和进化保守性。
动力蛋白多样性与运动功能
ATP水解转化为相邻双联微管之间的机械滑动由动力蛋白马达驱动[23]。对四膜虫轴丝成分的基础生化分析导致了动力蛋白作为纤毛运动马达蛋白的发现[23]，[24]。
在四膜虫中，生化分馏最初区分了22S外动力蛋白臂和14S内动力蛋白臂。外动力蛋白臂被表征为一个由α、β和γ重链组成的三头“花束”[25]，[26]，而内动力蛋白臂则被鉴定为一个更多样化的、主要是单头马达的群体。
后来的基因组分析极大地扩展了对动力蛋白的理解。早期研究在四膜虫中鉴定了14个动力蛋白重链（DYH）基因[27]，[28]，[29]，但更全面的工作最终揭示了总共25个DYH基因[30]。这些额外动力蛋白马达的发现有力地支持了经典的“多动力蛋白假说”，强调了轴丝内动力蛋白显著的功能多样化。与其他原生生物和后生动物的发现一起，四膜虫在确立这一概念方面发挥了核心作用。
通过对这些大分子复合体功能作用的理解通过经典的四膜虫基因敲除实验得到强化。系统性地删除特定的动力蛋白臂组分会导致不同的运动缺陷，使得分子组成与轴丝功能之间的直接关联成为可能，并为分配各个动力蛋白元件的功能提供了强大的框架[31]，[32]，[33]。
最近，通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）解析了四膜虫外动力蛋白臂与微管结合的高分辨率结构，提供了关于外动力蛋白臂之间广泛的尾-头相互作用及其在ATP水解过程中潜在调控的详细见解（图2D）。与此同时，鉴定了两种将外动力蛋白臂递送到纤毛所必需的细胞质因子。其中一种因子Shulin将外动力蛋白臂马达结构域锁定为关闭构象，从而在运输过程中抑制马达活性[17]（图2E）。此外，对外动力蛋白臂在天然双联微管上的结构分析和分子动力学模拟表明，外动力蛋白臂的附着会引发外动力蛋白臂复合体的重塑和激活[34]。
微管内蛋白（MIPs）
双联微管的结构完整性在由轴丝动力蛋白驱动的纤毛搏动期间至关重要。这种稳定性由微管内蛋白（MIPs）促进，它们是装饰轴丝双联微管管腔表面的非微管蛋白辅助蛋白。关于轴丝内结构的早期证据出现在对衣藻[35]和海胆精子鞭毛[36]进行冷冻电子断层扫描（cryo-ET）研究时，这些研究在纳米分辨率下揭示了离散的管腔内密度。这些研究创造了“微管内蛋白”这一术语，并提出MIPs在稳定双联微管中起作用。
随后对分离的四膜虫双联微管进行的单颗粒冷冻电镜分析提供了关于MIPs组织的首个更高分辨率的见解[37]。接着是MIPs的首个亚纳米结构[38]，揭示了比先前认识更丰富的MIPs多样性，包括穿过原丝楔的纤维状MIPs。这些研究共同确立了MIPs是纤毛中保守的结构组成部分，在双联微管稳定性中起关键作用[15]，[39]，[40]。
对四膜虫双联微管的研究在阐明MIPs的结构-功能关系方面特别具有工具性（图2F）。冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结合保守蛋白RIB72A和RIB72B的基因敲除，证明了它们在纤毛运动中的关键作用，因为这些蛋白的缺失导致多个MIPs密度消失和严重的游泳缺陷[41]。此外，对RIB72A/B敲除株的蛋白质组学分析鉴定了额外的候选MIPs，包括CFAP115，其缺失导致游泳行为异常和纤毛搏动异常[42]。对CFAP115缺陷细胞的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和断层图平均分析显示，CFAP115接触横向和纵向的微管蛋白界面，突显了其在双联微管稳定性中的关键作用[43]。
四膜虫双联微管的近原子分辨率单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）进一步揭示，MIPs形成一个与微管蛋白晶格交织的广泛网络，而不是作为孤立的稳定元件发挥作用[44]。在这项研究中，RIB43A被鉴定为四膜虫中特征性纵向双模重复的潜在蛋白。移除MIPs导致纵向晶格压缩和横向原丝角度改变，为MIPs如何增强轴丝支架提供了机制解释。衣藻和四膜虫之间的比较分析进一步表明内部连接结构的保守性，鉴定了CFAP52、CFAP45、CFAP20、PACRG和四膜虫特异的IJ34作为定位于双联微管内部连接处的MIPs[45]。
最近通过高分辨率结构分析建立了四膜虫MIPs的完整目录，鉴定了近40种不同的MIPs，包括保守和物种特异的组分[15]。对外部连接蛋白CFAP77的功能探究揭示了其对双联微管稳定性的重要性。最近，冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结合基因操作证明，RIB72A与RIB22和FAM166A相互依赖地相互作用，形成在四膜虫双联微管和三联微管中都存在的三元复合体[46]。这些发现表明MIPs组装是高度协调的，其相互作用在BB中建立，并在纤毛组装过程中传播到轴丝中。
虽然大多数已表征的MIPs定位于轴丝的整个长度，但新出现的证据表明存在区域特异性的MIPs专业化。例如，CCDC81B仅定位于四膜虫纤毛的近端区域[47]，而CFAP213被鉴定为在中央对微管远端尖端富集的MIPs[48]。这些空间受限MIPs的功能意义在很大程度上尚未探索，代表着未来研究的重要方向。
连接蛋白-动力蛋白调节复合体（N-DRC）
N-DRC是一个多蛋白组装体，连接轴丝内的相邻双联微管，既作为机械连接器也作为调控枢纽（图2G）。该复合体协调动力蛋白马达活性，将双联微管间的滑动转化为纤毛和鞭毛有效搏动所需的弯曲运动[49]。N-DRC缺陷会导致组织紊乱或运动受损，并且是原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia）的公认原因，突显了其在纤毛调节中的关键作用[50]。
N-DRC最初在T. pyriformis轴丝的横切面中被观察为连接相邻微管的“蛋白桥”[23]。随后对衣藻轴丝的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）进展[51]，[52]，[53]阐明了N-DRC的详细架构，包含11个DRC亚基。这些结构数据证实了早期的遗传和生化观察[50]，[54]，[55]，将N-DRC组分内的突变与运动缺陷联系起来。对T. thermophila、C. reinhardtii和海胆精子轴丝的比较冷冻电子断层扫描（cryo-ET）分析揭示了保守的N-DRC形态，但存在物种特异的差异[22]。
最近在四膜虫中的工作提供了N-DRC的全面12组分原子模型[18]（图2G）。生化、结构和功能分析定义了一个由DRC1、DRC2和DRC4形成的支架，它们直接接触双联微管表面。该复合体的特点是延伸的卷曲螺旋网络跨越连接器的近端叶，表明其在维持机械稳定性和传递机械-以及分子调节信号以协调纤毛弯曲方面具有双重作用。交联质谱鉴定了一个新的组分DRC12（CCDC153），进一步扩展了复合体组成。重要的是，进化上保守的CCDC96/113复合体被发现与N-DRC相互作用，暗示该模块将来自辐条3（RS3）和N-DRC的信号传递给内动力蛋白臂g，从而调节动力蛋白活性和纤毛搏动的波形。在四膜虫中的功能研究表明，删除CCDC96或CCDC113会改变纤毛搏动频率、振幅和波形[56]，而破坏小鼠精子中的CCDC113会导致鞭毛结构紊乱[57]。这些研究增进了对运动纤毛内的机械调节复合体如何通过作为相邻双联微管之间的调节和机械连接器来协调轴丝运动的理解。
辐条
辐条是T形的多蛋白复合体，从9+2轴丝中每条外双联微管的A微管延伸至中央对（图2H）。它们作为关键的机械化学传感器，将来自中央对的调节信号传递给相邻双联微管上的动力蛋白臂，以协调动力蛋白驱动的滑动并确保产生有节奏的、平面的纤毛搏动。辐条由超过17个保守亚基组成，组织成头部和茎部区域，辐条头部直接与中央对相互作用。破坏辐条组分是原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia）的公认原因，导致纤毛运动受损或丧失。
辐条最早在四膜虫的经典EM研究中被观察到，包括早期的负染重建[7]和冷冻断裂深度蚀刻成像[13]。这些研究还首次表明辐条在搏动周期中瞬时接触中央对，支持辐条-中央对相互作用调节动力蛋白活性的模型。四膜虫拥有三条辐条——RS1、RS2和RS3——与大多数后生动物系统相似，但与衣藻不同，后者中的RS3显著减少。冷冻电子断层扫描（cryo-ET）进一步证实了这些结构差异，显示四膜虫的RS3比其衣藻对应物更为精细[22]，[58]。
四膜虫中的遗传和结构研究极大地增进了对辐条组装、特化和功能的理解。CFAP206被鉴定为RS2特异的基础蛋白，对正确的辐条结构至关重要[59]。FAP61和FAP251的缺失——这些蛋白连接RS2和RS3的基部——会破坏辐条结构，并导致纤毛搏动频率降低和波形异常[60]。删除RS3相关的旁系同源物导致RS3密度的选择性丧失，表明RS3在功能和组成上与RS1和RS2不同。最近的研究表明，CFAP91是RS3稳定停靠和RS2基部所必需的，可能通过与分子尺蛋白CCDC39相互作用，其缺失会干扰相邻内动力蛋白臂的组装[61]。
四膜虫遗传学的进步使得对辐条组成和特化的更精细剖析成为可能。最近的一项全面分类揭示，这三条辐条在形态上是异质的，并且由不同的RSP3旁系同源物（RSP3A/B/C）构建，它们差异性地定位于RS1和RS2[5]。虽然RSP3普遍需要用于辐条停靠，但只有RSP3B的缺失产生严重的运动缺陷，而RSP3A或RSP3C的缺失导致较温和的表型，表明旁系同源物之间存在部分冗余。这项工作还揭示了先前未被识别的与辐条基部相关的激酶和代谢酶，指向额外的调控复杂性层次。
总之，对T. thermophila的研究在揭示辐条的结构多样性、组装逻辑和调控功能方面发挥了重要作用——这些见解对理解纤毛运动和人类纤毛病具有广泛意义。
中央对
中央对位于轴丝核心，由两条单联微管（C1和C2）组成，每条微管装饰有独特的突起和相关的调节复合体[62]。在功能上，中央对作为一个调节枢纽，通过中央对突起和辐条之间的机械化学信号传导，协调动力蛋白臂活性并维持纤毛搏动的平面性和方向性。最近的蛋白质组学和高分辨率冷冻电镜研究揭示，中央对由约50种蛋白质组成[63]，[64]，[65]，[66]。特定中央对组分的缺失会破坏动力蛋白调节，并经常导致纤毛瘫痪或严重运动障碍。
T. thermophila在定义中央对结构方面至关重要。四膜虫中早期的超微结构研究首次解析了两条中央微管的不对称性及其独特的突起[13]，[35]。四膜虫的一个关键区别是其中央对在搏动过程中不旋转，这与衣藻不同[63]。这种进化上的分歧使得四膜虫成为理解中央对功能和可塑性的有用模型。最近的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）研究表明，四膜虫的中央对在结构上比衣藻更类似于高等真核生物，包括小鼠[19]（图2I）。
特异性地，四膜虫中央对的近端起源于轴体（axosome），这是一个位于纤毛中部、纤毛基板上方的致密颗粒密度体[67]。有趣的是，C1微管锚定于轴体，而C2稍远于它开始。虽然轴体的组成未知，但据推测轴体有助于C1微管的成核[68]。
四膜虫中的遗传和蛋白质组学分析鉴定了特定突起的蛋白质组成，例如C1b/C1f超复合体，它包含保守蛋白SPEF2A、CFAP69、CFAP246、Androglobin和纤毛虫特异蛋白Tt170[69]。SPEF2A或CFAP69的缺失破坏C1b突起，使相邻的C2b突起不稳定，并严重损害纤毛运动，证明C1的结构完整性是正确搏动调节所必需的。
四膜虫轴丝的一个显著特征是中央对外双联微管过渡为单微管的区域[70]，[71]。在这个远端区域，中央对采用不同的组织方式，其中C1和C2位置更近且几乎对称[19]（图2J）。中央对尖端的高分辨率冷冻电子断层扫描（cryo-ET）揭示了七种相关蛋白，包括保守的微管结合蛋白SPEF1。SPEF1定位于微管接缝处，并在C1和C2之间形成交联，稳定微管的正极端[48]。SPEF1的缺失导致中央对组装缺陷，突显了其在中央对稳定中的作用。
另一个在四膜虫中首次描述的中央对特征是远端“帽”复合体[70]。在CEP104敲除突变体中该帽缺失[44]，比较蛋白质组学鉴定了候选帽组分，包括CCDC81、CCDC33和CCDC78。研究进一步表明，CCDC33和CCDC78也存在于脊椎动物纤毛中，并且是正常运动所必需的[72]。
总之，在四膜虫中的工作对于定义中央对的组成、结构和调节作用具有重要价值。这些研究揭示了中央对的保守和谱系特异性特征，并持续为理解中央装置组装缺陷如何导致人类纤毛病提供机制见解。
鞭毛内运输（IFT）
鞭毛内运输（IFT）是三十多年前通过衣藻的开创性工作发现的[73]，该研究首次揭示了这种纤毛运输的基本机制。IFT系统不是单一的分子实体，而是一个大型复合体，由大约20种不同的非马达蛋白组成，组织成两个主要的大复合体：复合体A（IFT-A）和复合体B（IFT-B）[74]。在功能上，IFT充当“铁路”系统，复合体形成“列车”，利用驱动蛋白和动力蛋白马达主动将纤毛构建模块（如微管蛋白和结构蛋白）从细胞体运输到纤毛尖端（顺向运输），并将降解的组分运回基部（逆向运输）。通常，这种多蛋白IFT机制对于包括纤毛组装、维持和信号传导在内的过程至关重要，其功能缺陷与一大类称为纤毛病（ciliopathies）的人类疾病相关。
利用纤毛虫四膜虫进行的研究极大地增进了对IFT组分及其功能的理解，补充了在衣藻中的工作。Gaertig小组的早期四膜虫研究证明了IFT马达的作用，显示敲除IFT驱动蛋白-II同源物（KIN1和KIN2）严重影响纤毛发生和细胞分裂[75]。该团队后来表明，破坏IFT-B亚基，如IFT52，导致类似的纤毛缺陷表型[76]。进一步的IFT-B组分工作表明，IFT172缺失细胞缺乏纤毛，拯救实验表明其N端和C端结构域都需要纤毛进入，而C端截断特异性地损害逆向IFT，导致颗粒在尖端积累[77]，[78]。此外，敲除保守的IFT-B蛋白IFT70/DYF-1导致极短的轴丝残留[79]，所有这些都确立了IFT-B组分在初始纤毛发生中的核心作用。四膜虫中的额外工作导致了对IFT-A复合体（逆向列车）的功能剖析；例如，虽然IFT122A缺失细胞能够形成纤毛，但IFT-B蛋白在纤毛尖端积累，清楚地表明IFT122A主要在促进逆向运输过程中发挥作用[77]，[78]。
四膜虫也被证明在推进IFT复合体的结构理解方面具有重要价值。早期的晶体结构工作解析了IFT52/46亚复合体的结构[80]。更近期的结构研究结合了化学交联、冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和AlphaFold2建模等技术，生成了六亚基IFT-A复合体的详细模型，成功地将人类纤毛病突变映射到该结构上，突显了四膜虫数据与人类疾病的相关性[20]（图2K）。当[81]解析了从四膜虫分离的完整IFT-A复合体的冷冻电镜（cryo-EM）结构时，这一结构知识得到进一步巩固，为IFT-A的灵活构象以及IFT列车如何组装和解体提供了关键见解。
微管蛋白的翻译后修饰
四膜虫在建立“微管蛋白密码”方面发挥了重要作用，其中翻译后修饰（PTMs）调节纤毛微管的组装、稳定性和运动功能。作为一个能够同步纤毛再生和精确遗传操作的模型生物，四膜虫允许研究人员将特定的分子修饰直接与体内表型联系起来[82]。
早期研究集中在内部修饰，特别是微管管腔内α-微管蛋白赖氨酸-40（K40）的乙酰化。虽然最初是在衣藻中鉴定的[83]，[84]，但四膜虫中的遗传研究首次对这种保守PTM进行了功能测试。Gaertig等人通过替换K40证明，虽然乙酰化对于纤毛发生不是绝对必需的，但它是稳定微管的标志[85]。这为后来鉴定αTAT1作为主要乙酰转移酶奠定了基础[86]。现代高分辨率结构研究随后证实K40乙酰化会微妙地改变双联微管晶格，为这种PTM如何影响轴丝结构提供了物理机制[87]。
除了管腔内部，还有在微管蛋白C末端尾部发现的广泛修饰及其与纤毛功能的联系：多聚甘氨酸化和多聚谷氨酸化。多聚甘氨酸化是四膜虫纤毛微管蛋白的主要且高度富集的修饰，区分了轴丝微管和其细胞质对应物，并暗示甘氨酸化是一种纤毛特异性的翻译后修饰[88]。四膜虫中的质谱分析和靶向诱变揭示，甘氨酸化丧失会破坏外双联体的B微管稳定性，导致异常超微结构并在管腔内积累电子致密物质[82]。关于多聚谷氨酸化，谷氨酸链优先添加到外双联微管的B微管上——正是动力蛋白马达产生力的地方——并且这些修饰的缺失会产生严重的运动缺陷和改变的波形。生物物理分析表明，谷氨酸化通常抑制内臂动力蛋白活性，直接将特定的翻译后修饰与马达输出和波形控制联系起来[82]。
此外，四膜虫中的研究鉴定和表征了负责安装这些修饰的酶。微管蛋白酪氨酸连接酶样（TTLL）家族的多个成员被证明定位于纤毛并催化谷氨酸化或甘氨酸化的不同步骤。对α-微管蛋白谷氨酸化的研究表明，虽然去除所有C末端谷氨酸位点不会消除纤毛发生，但它会损害细胞生长和纤毛功能，表明谷氨酸化增强微管蛋白相关过程的效率和鲁棒性，而非绝对要求[89]。TTLL3作为微管蛋白甘氨酸连接酶的鉴定进一步揭示，甘氨酸化在控制轴丝长度和微管蛋白动力学方面发挥核心作用，并且甘氨酸化酶和谷氨酸化酶竞争重叠的微管蛋白底物[90]。
最近，四膜虫为发现去除或重塑微管蛋白尾部的酶做出了贡献。能够对微管蛋白进行去酪氨酸化和去谷氨酸化的微管蛋白羧肽酶的鉴定，包括作用于轴丝微管蛋白的四膜虫同源物，证明了PTMs在纤毛内是动态可逆的[91]。
总之，数十年来在四膜虫中的工作定义了纤毛翻译后修饰的核心原则：它们在轴丝内丰富且具有空间模式，由专用酶安装和去除，相互作用，并直接调节双联微管稳定性和动力蛋白马达活性。许多这些概念——最初在四膜虫中确立——现在被公认为整个真核生物纤毛的保守特征，突显了这种模式生物对理解纤毛生物学的持久影响。
四膜虫中的基体（BB）生物学
早期的观察性研究也导致在四膜虫中发现了BB结构[92]。这种结构存在的最早证据来自对展开的纤毛和染色横切面的显微镜检查[93]。对这些显微照片的仔细观察导致观察到在纤毛基部存在一个结构上不同的装置来锚定纤毛，并且它没有典型的9+2排列。这些结构早期被称为动体（kinetosomes）[94]。
基体组织
纤毛虫的BB在细胞质、底侧装饰有精细的附属结构，这些结构不仅加强了BB支架，而且在建立和维持细胞极性方面发挥着核心作用。在细胞的前端极，顶端冠由密集排列的双动体（dikinetids）组成，纵向纤毛行从这里出现并沿细胞皮层向后延伸。四膜虫中的大多数BB是皮层BB，它们有规则地间隔排列在这些纤毛行中，并主要协调纤毛搏动和运动（图3A）。
每个皮层BB都与一套程式化的附属结构相关联，包括横纹动纤丝（striated kinetodesmal fibers）、后纤毛微管（postciliary microtubules）和横微管（transverse microtubules），这些结构共同定义了BB的方向和连接性（图3B）。后纤毛微管向后突出，并将每个BB与其同一纤毛行内的直接邻居连接起来，从而加强纵向对齐。动纤丝以极化方式向前延伸；其独特的横纹超微结构，主要由根丝蛋白（rootletin）家族蛋白组成，提供了沿纤毛行保持方向一致性所需的抗拉强度[67]，[96]，[97]，[98]。
通过这种高度有序的排列，每个BB都被嵌入一个由附属结构互联的网状结构中，该网状结构在机械上稳定了皮层BB阵列，同时编码空间信息。这种交联结构确保了精确的BB定位，维持了行间距，并将局部BB方向整合到全球皮层模式化中。因此，BB相关的附属结构不仅仅是结构支撑，它们是BB形态发生、平面细胞极性和多纤皮层协调组织不可或缺的一部分。
基体结构与组成
BB主要由排列成三联微管的α-和β-微管蛋白组成；然而，遗传和分子研究早期就确立了γ-微管蛋白在BB组装和维持中起着关键调控作用[99]，[100]。在草履虫中的工作表明，破坏γ-微管蛋白基因会导致严重的皮层模式缺陷和BB复制受损，突显γ-微管蛋白是BB生物发生的关键上游调节因子[101]。同样，在四膜虫中，γ-微管蛋白（GTU1）在口器和纤毛行的BBs中富集，尤其是在分裂细胞中，直接将γ-微管蛋白定位与活跃的BB组装联系起来[99]。
四膜虫中BB特异性蛋白的鉴定[102]进一步确立了BB是通过分层过程组装的、高度受调控的细胞器。这种层级的核心是车轮体（cartwheel），它是定义架构的支架，施加九重旋转对称性。保守的车轮体蛋白SAS-6通过SAS-6二聚体的寡聚化形成该结构的中心枢纽[103]，[104]。四膜虫编码两个SAS-6同源物，SAS6a和SAS6b，两者对于BB组装都是必需的[105]。其中任何一个同源物的缺失都会破坏BB形成，强调了它们的非冗余作用。
两个SAS-6旁系同源物之间存在功能分歧。SAS6a定位于BBs的管腔界面，其缺失导致纤毛缩短，表明其在BB和纤毛组装中具有双重作用。相比之下，SAS6b对于新组装BBs的正确定位是必需的，其缺失会在经典复制过程中破坏姐妹BBs的正确方向和放置[105]。这些发现支持了一个模型，即SAS-6蛋白充当BB组装的早期空间和结构决定因子。
SAS4通过SAS5锚定于SAS-6，介导三联微管的附着。在四膜虫中，两个SAS4同源物定位于组装中的BBs及其相关附属物。功能研究表明SAS4对于BB组装是必需的；其耗竭会导致胞质分裂沟定位和染色体分离缺陷[106]。
钙卫蛋白（Centrin）蛋白进一步
