朱钦士 （美国南加州大学医学院）

真核生物可分为单鞭毛生物（Unikont）和双鞭毛生物（Bikont）两大类，前者包括真菌、动物和变形虫门和领鞭毛虫门的原生生物，它们的共同特征是拥有CAD融合基因；后者包括绿藻、红藻、陆生植物和一些原生生物，它们的共同特征是拥有TS－DHFR融合基因。动物、植物和真菌的祖先都存在鞭毛（flagellum），且这些鞭毛的结构和工作方式都相同，说明真核生物的祖先就具有鞭毛。

经过约20亿年的演化，这2个融合基因在两大类真核生物中依然存在，但是在这两大类生物中，纤毛的命运却大不相同。在不运动的真菌和植物中，由于鞭毛的游动需要水环境，在陆地上不如通过空气传播的孢子更有效，所以大部分真菌和陆生植物细胞上的鞭毛都消失了。在真菌中，只有较原始的壶菌（Chytridiomycota）的游动孢子还有鞭毛。在陆生植物中，比较低级的苔藓植物和蕨类植物的精子还保留鞭毛，它们通过植物表面的水膜游动到卵子处，也就是还不能离开水环境，苔藓植物和蕨类植物也只能生长在比较阴暗潮湿的地方。在种子植物中，只有比较低级的裸子植物银杏（ginkgo）和苏铁（cycadales）的精子还有鞭毛，其他种子植物，包括比较高级的裸子植物和所有的被子植物，精子都是通过花粉的传播到达含有卵细胞的胚珠，再通过花粉管的萌发与伸长将精子送到卵细胞处，使之受精的，即完全摆脱了精子移动对水环境的依赖，因此鞭毛作为“老式”的运动结构在陆生环境中逐渐被放弃。

而在动物中，鞭毛的命运却好得多。在陆地上生活的动物由于可以运动，且采用体内受精的方式，精子仍然可以在雌性动物体内的液态环境中靠鞭毛游动到达卵子，因此精子后面的那根鞭毛也得到保留。不仅如此，由于多细胞动物身体构造的特点，鞭毛的功能还被扩展，成为动物细胞上的动纤毛（motile cilia）和静纤毛（non－motile cilia）。动纤毛除了清除呼吸道中的痰液、在输卵管中推动卵细胞前进外，还推动脑脊液流动和在胚胎发育中控制内脏器官位置的左右不对称。动纤毛失去摆动功能后，就成为静纤毛，作为突出细胞的结构，含有各种受体，成为接收外界信号的结构，在监测动物体内液体流动（血液、尿液、胆汁、眼房水、骨负荷等）、视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、自体感觉上发挥不可或缺的作用。

领鞭毛虫不仅有一根鞭毛，且有围绕鞭毛的一圈领毛（collar microvilli）。在动物中，领毛不仅被保留，变成动物细胞上的微绒毛（microvilli），而且像静纤毛那样，也含有各种受体，成为接收外界信号的结构。微绒毛自身或者与静纤毛协同，在视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和自体感觉上发挥作用。在具体介绍鞭毛、纤毛和微绒毛的各种功能之前，先介绍它们的结构特点。

1 鞭毛、纤毛和微绒毛的结构

鞭毛和纤毛都是由微管（microtubule）支撑的，突出于细胞表面的线状结构。微管是由微管蛋白（tubulin）聚合形成的管状结构。微管蛋白有2种：α－微管蛋白和β－微管蛋白，1个α－微管蛋白分子先和1个β－微管蛋白分子结合成二聚体，再以αβ二聚体为单位聚合成长链。聚合时二聚体都朝着一个方向，所以聚合成的链是有方向的：末端α－微管蛋白暴露的为负端，末端β－微管蛋白暴露的为正端。不仅如此，13条这样的链平行排列，彼此相连，组成一个空管，外直径约25 nm，内直径约12 nm，称为微管。虽然被称为“微”管，却是真核细胞的细胞骨架中最粗的，机械强度也最大。微管的正端是开放的，可延长或者缩短，但是负端总要附着在一个组织中心（microtubule organizing center，简称MTOC）上。在微管组织中心还有另一种微管蛋白，γ－微管蛋白与其他蛋白质结合，成为微管的附着处和聚合开始点。

在鞭毛和纤毛中，微管不是1根，而是包含9组，且排列成1圈，每组微管由双联的2根微管组成，即一根微管融合在另一根微管上。在鞭毛和动纤毛的中心处还有2根单独的微管，所以鞭毛和动纤毛的微管结构被称为“9+2”，鞭毛和动纤毛这2个名称也基本上是同义的，具有同样的结构，只是鞭毛长在单细胞（原生生物和动物的精子）上，而动纤毛长在动物的体细胞上。静纤毛的结构和动纤毛基本相同，但没有中心的那2根单独的微管，所以静纤毛的微管结构为“9+0”。鞭毛和纤毛与细胞膜下面的组织中心，称为基体（basal body）的结构相连。

鞭毛和动纤毛能够摆动，是由于在它们的9组微管之间，还有动力蛋白（dynein）附着。动力蛋白是真核细胞“肌肉蛋白”（能够将化学能转化成机械能的蛋白）中的一种，用2条“腿”结合在微管上，在水解ATP时，分子变形，可在微管上向其负端“行走”。在鞭毛和动纤毛中，动力蛋白的另一端还固定在相邻的微管上，因此动力蛋白形状的改变不会使自身在微管上行走，而是给旁边的微管一个推力，引起动力蛋白结合的2组微管相对滑动，从而使纤毛弯曲。纤毛两侧的动力蛋白交替变形，纤毛则可来回摆动。静纤毛的微管之间没有动力蛋白联系，所以不能摆动。

鞭毛和纤毛中除了微管外，还有超过1 000种蛋白质。由于鞭毛和纤毛内并没有合成蛋白质的核糖体，所以这些蛋白质必须在细胞体中的核糖体上合成后，被运输到鞭毛和纤毛内。这是由能够向微管正端“行走”的蛋白质——驱动蛋白（kinesin）实现的。驱动蛋白能够“背负”装有蛋白质的小囊，以ATP为能源，从细胞体“走”入鞭毛和纤毛。这个蛋白质的运输过程叫做“鞭毛／纤毛内运输”（intraflagellar/intraciliary transport，IFT）。任何妨碍 IFT 的变化都会影响鞭毛和纤毛的形成和功能。鞭毛和纤毛上需要替换的蛋白质则由上文提到的，能够向微管负端“行走”的动力蛋白执行的。

微绒毛由肌动蛋白（actin）聚合成的微丝（microfilament）支撑，所以与鞭毛和纤毛是不同类型的结构。微绒毛也是由细胞膜包裹，里面微丝的数量可多可少，也不像鞭毛和纤毛内的微管那样有规则地排列，直径也可大可小，从而适应不同的需要。

2 动物身体中鞭毛和动纤毛的作用

领鞭毛虫那根通过摆动产生推力的鞭毛在动物身上仍然被保留并发挥作用，明显的例子是动物精子都是通过后方的一根鞭毛推着前进的。而在动物体内，由于多数细胞的位置是固定的，动纤毛的摆动就不是推动它们所在的细胞前进，而是反过来，利用动纤毛摆动产生的力量推动细胞外的液体或者物体移动，例如呼吸道上皮细胞的动纤毛持续摆动能将带有细菌的痰液不断排出，在输卵管中动纤毛的摆动使卵子向子宫方向前进。

除了这些作用，动纤毛还推动脑脊液（Cerebrospinal Fluid，CSF）的流动。脑脊液是脑室系统、下隙和脊髓中央管中的液体，总量约150 mL，向脑和脊髓提供机械缓冲和维持细胞外液的组成，可看成是脑中的淋巴液。脑脊液在左、右侧脑室中产生，经过第三脑室、第四脑室、蛛网膜下隙和脊髓中央管，最后回到静脉。人每天产生约400 mL脑脊液，必须不断地被送回循环系统。过去，人们认为脑脊液的流动是被动的，脑室产生新的脑脊液，推动早些时候产生的脑脊液前进。但是后来的研究发现，脑脊液的流动是由与脑脊液接触的室管膜细胞（ependymal cell）上的动纤毛推动的。如果动纤毛的功能受到影响，就会导致脑积水和颅压升高。

虽然动物是“单鞭毛”生物，但是气管、输卵管和脑室中动纤毛的作用都是推动细胞外液体或者固体前进，所以每个细胞上的动纤毛不是只有1根，而是有很多根，从而增加动纤毛推动物质移动的效果。同为单鞭毛生物的草履虫也可以有数千根用于游泳的鞭毛（纤毛），这说明单鞭毛生物的基本特征是拥有CAD融合基因，鞭毛和动纤毛的数量是可以增加的。

动物对动纤毛摆动最巧妙的利用，也许要数对内脏位置左右不对称的控制。多数动物的身体从外部看是两侧对称的，但是内脏的位置却不对称，例如人的心脏和胃位于身体的左侧，肝脏和胰脏位于右侧，肺脏虽在胸腔的左右两侧都有，但是肺叶数也不相同（右侧3叶，左侧2叶）。1996年，日本科学家滨田宏（Hiroshi Hamada）的实验室发现了小鼠胚胎中决定左右的分子，它在原肠胚形成过程中只位于胚胎的左侧，因而被命名为Lefty。Lefty的主要功能是对抗另一个蛋白质——Nodal的功能。Lefty和 Nodal都是转化生长因子－β（TGF－β）超级家族的成员，它们的功能在胚胎左右两侧的活性不同，是决定内脏位置左右不对称的主控因子。然而在胚胎早期的发育中，左右两侧的发育是相同的，即是左右对称的，这个对称是如何被打破的？Lefty只位于胚胎左侧的分布是如何造成的？

最初的线索来自内脏反转人，即他们内脏的左右位置与正常人相反。通过对这些人的检查发现，他们气管中的动纤毛不正常。另一个线索是在驱动蛋白基因被敲除的小鼠中发现的，有一半小鼠的内脏位置是反转的，即内脏的左右位置变成随机的，而不是受控制的。由于驱动蛋白为纤毛形成所必需的，因此内脏位置反转也许与纤毛有关。以此为线索研究发现，打破动物左右对称模式的真的是动纤毛。是由动纤毛摆动造成胚胎表面的液体向左流动造成的。

在脊椎动物胚胎发育过程中，脊索（notochord）末端腹节（ventral node）的位置有一个凹下的腔，里面有一些液体。腔的中央有200～300个细胞，每个细胞上有1根动纤毛，而腔两旁的细胞上则有静纤毛。动纤毛的方向不是与胚胎表面垂直，而是向后倾斜，当动纤毛顺时针摆动时，流向胚胎方向的液体由于接近胚胎表面，遇到的阻力较大，而背朝胚胎方向流动的液体受到的阻力较小，从而使得液体向胚胎的左侧流动。动纤毛向后倾斜并不破坏左右对称，但是动纤毛顺时针摆动却是有方向性的，因此在这个特殊的环境中就造成胚胎表面液体左右不对称的流动。位于腔左侧的静纤毛感知到这个液体流动，将信号传输给左侧的细胞，改变基因的表达状况，使左右两侧的发育状况有所差别。如果纤毛的工作不正常，左右不对称的控制就会失效，内脏的左右位置也变成随机的。如果人为改变液体流动的方向，使液体向胚胎的右侧流动，内脏的左右位置就会反过来，这进一步证明动纤毛摆动造成的液体向左流动的确是左右对称被打破的关键步骤。

在此过程中，不仅需要动纤毛的摆动造成液体定向流动，还需要静纤毛感知这个流动。这就是静纤毛在动物体内的作用，即作为细胞的信息感受器。动纤毛除了具有摆动的功能，还有另一个优点，就是它突出于细胞的线状结构。这个结构像天线一样从细胞表面伸出，有巨大的面积/体积比，是接收细胞外信号的受体分子存在的理想场所。同时细长的结构也使它容易在外力下弯曲，触发纤毛上感知机械力的受体分子。由于这些信息接收功能与纤毛的摆动无关，摆动功能与信息接收功能就逐渐分开，从而形成不能摆动、只接收信息的静纤毛。许多动物细胞都有1根静纤毛，用于接收信息。由于静纤毛不需要摆动，使用的只是突出细胞的线状结构，所以对内部结构的要求也不如动纤毛那样严格。

微绒毛也是突出细胞表面，被细胞膜包裹的线状结构，同样可以成为接收外部信息的场所，因此静纤毛和微绒毛一起，都可成为接收外部信息的“天线”。与静纤毛不同的是，在细胞表面的静纤毛总是只有1根，而微绒毛总是有多根。静纤毛和微绒毛有时单独发挥作用，有时彼此配合共同发挥作用。在某些情况下，还出现了微管和微丝同时存在于线状结构内，所以难以定义是纤毛还是微绒毛（见下文关于昆虫刚毛器的构造）。这说明在接收信息时，动物所需要的只是突出细胞表面的细长结构，其内部的具体构造不是那么重要，因此下文将信息接收中的静纤毛和微绒毛一起叙述。

［1]Gardiner M B.The importance of being cilia.HHM1 Bulletin，2008，18(2)：32.

［2]Satir P，Pedersen L B.The primary cilia at a glance.Journal of Cell Biology，2010(123)：499.

［3]Babu D，Roy S.Left－right asymmetry：cilia stir up new surprise in the node.Open Biology，2013(3)：130052.

［4]Bisgrove B W，Yost H J.The roles of cilia in development disorders and disease.Development，2006(133)：4131.

（待续）