真核細(xì)胞依賴形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化來(lái)執(zhí)行多種功能，以維持基本生物過(guò)程并調(diào)控細(xì)胞行為。單細(xì)胞捕食性原生動(dòng)物——長(zhǎng)吻蟲(chóng)，其形態(tài)與天鵝相似，其中常見(jiàn)種天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)（Lacrymaria olor）因此得名。長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上可劃分為三個(gè)部分：從后端到前端依次為胞體、“頸部（脖子）”和“頭部（口器）”。長(zhǎng)吻蟲(chóng)通過(guò)不斷伸縮其細(xì)胞頸來(lái)搜索和捕捉獵物，在這一過(guò)程中，頸部可以延伸至胞體長(zhǎng)度的30倍之多，展現(xiàn)出極致的動(dòng)態(tài)形態(tài)變化。這種細(xì)胞極致動(dòng)態(tài)形變背后所蘊(yùn)含的分子材料仍然未知。

細(xì)胞頸收縮（左）和伸長(zhǎng)（右）兩種狀態(tài)下的長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞

長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞頸的快速伸縮和動(dòng)態(tài)形變

長(zhǎng)吻蟲(chóng)通過(guò)細(xì)胞頸不斷伸縮實(shí)現(xiàn)360度的空間搜索

近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所繆煒研究員團(tuán)隊(duì)在對(duì)從武漢東湖分離的天鵝長(zhǎng)吻蟲(chóng)進(jìn)行行為模式分析的基礎(chǔ)上，在細(xì)胞培養(yǎng)密度受限的條件下，通過(guò)長(zhǎng)期大規(guī)模培養(yǎng)，成功獲得了其高質(zhì)量基因組。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)顯微手術(shù)分離出數(shù)千個(gè)細(xì)胞頸進(jìn)行質(zhì)譜分析，鑒定了頸部的蛋白質(zhì)成分。在此基礎(chǔ)上，利用超分辨顯微成像和雙束掃描電鏡等技術(shù)，揭示了長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞皮層中的兩種關(guān)鍵細(xì)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(xiàn)出明顯差異的分布模式。微管骨架中含有一種形成梯狀結(jié)構(gòu)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(dú)特的排列使得頸部可以獨(dú)立于胞體，展現(xiàn)出驚人的動(dòng)態(tài)形態(tài)變化。新發(fā)現(xiàn)的這些蛋白成分表明，長(zhǎng)吻蟲(chóng)通過(guò)新型的細(xì)胞骨架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其極致的形態(tài)變化。

長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞中的兩種關(guān)鍵細(xì)胞骨架：肌絲骨架（紅色）與微管骨架（綠色）

兩種關(guān)鍵細(xì)胞骨架的3D重構(gòu)

長(zhǎng)吻蟲(chóng)細(xì)胞頸收縮（左）和伸長(zhǎng)（右）兩種狀態(tài)下的肌絲骨架差異

長(zhǎng)吻蟲(chóng)頸部極致動(dòng)態(tài)形變的分子模型假設(shè)

本研究是繼發(fā)現(xiàn)依賴鈣離子的新型細(xì)胞骨架是原生動(dòng)物旋口蟲(chóng)細(xì)胞超快速收縮的分子基礎(chǔ)后（Science Advances,2023），通過(guò)研究單細(xì)胞原生動(dòng)物的極致運(yùn)動(dòng)形式，發(fā)現(xiàn)的第二類新型細(xì)胞骨架系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解生物運(yùn)動(dòng)以及細(xì)胞骨架的進(jìn)化與多樣性具有重要意義。同時(shí)，該研究為生物仿生及利用合成生物學(xué)手段構(gòu)建相應(yīng)的分子機(jī)器，提供了重要的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

該工作近期以“Dynamic shape-shifting of the single-celled eukaryotic predator Lacrymaria via unconventional cytoskeletal components”為題發(fā)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(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助，以及水生所分析測(cè)試中心、中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算武漢分中心和國(guó)家水生生物種質(zhì)資源庫(kù)的支持。

論文鏈接：https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(24)01214-4