脊椎动物纤毛中传递信息的摩斯电码
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十一月
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Qi
Hedgehog信号通路组分以及G蛋白偶联受体（GPCRs）定位于初级纤毛，而初级纤毛是专门负责进行信号转导的细胞器。但是一直以来，细胞是如何识别纤毛内以及纤毛外的GPCR信号的还不得而知。
不久前，来自美国加州大学JeremyF.Reiter研究组在Cell杂志上发表题为VertebratecellsdifferentiallyinterpretciliaryandextraciliarycAMP的文章，通过光遗传学和化学遗传学的方式揭开了脊椎动物细胞中识别纤毛内和纤毛外的cAMP的具体分子机制。
发育过程以及内稳态需要细胞能够对不同的信号进行识别，其中主要信号被GPCRs所接收。GPCRs是脊椎动物中最大的一类受体，也是诸多临床药物的靶点。配体结合后对GPCRs的跨膜结构域进行重排，激活异源三聚体G蛋白例如Gαs以及Gαi。激活的Gαs刺激腺苷酸环化酶促进cAMP的产生，而激活的Gαi则会抑制cAMP的产生。
为了对纤毛内外的cAMP是否传输不同信息这一事件进行解析，作者们开发了一种基于细菌的光激活的腺苷酸环化酶的光诱导系统（图1），可以在蓝光施加后分别表达在胞质（Cyto-bPAC）和纤毛（Cilia-bPAC）之中。在黑暗中，表达Cyto-bPAC以及Cilia-bPAC的这两种斑马鱼与野生型的斑马鱼中cAMP的含量没有显著的差别。为了检测该系统的有效性与稳健性，作者们这两种斑马鱼中表达的模式进行了检测，发现Cyto-bPAC的定位主要在胞质之中而Cilia-bPAC主要定位在纤毛之中。而在使用腺苷酸环化酶激动剂之后可以显著增加cAMP的表达水平。另外，作者们确认无论是蓝光诱导本身还是多量cAMP的产生并不会对斑马鱼的生长发育造成影响。这些结果说明该光诱导系统的稳健性，并且会正常发育过程不会产生破坏性的影响。
图1体内不同亚细胞定位进行光诱导cAMP表达系统因为cAMP对Hedgehog信号传导是负向调控的，作者们想知道究竟是纤毛中的cAMP还是胞质中的cAMP在影响Hedgehog信号传导过程。为了对Hedgehog信号传导过程进行检测，作者们引入了Gli:mCherry的报告系统，可以通过报告因子中mCherry的表达来检测Hedgehog信号通路的激活程度。利用先前建立的光诱导系统，作者们发现纤毛中的cAMP的表达会特异性地调控Hedgehog通路的信号转导。因此，斑马鱼细胞对纤毛中生成的cAMP和细胞质中生成的cAMP所带来的信息的破译和解读是不同的。该现象极大地引起了作者们的兴趣。进一步地，作者们在哺乳动物细胞系中建立了类似的Cyto-bPAC以及Cilia-bPAC的光诱导系统，可以在不同的亚细胞定位中对cAMP的水平进行操纵，作者们同样发现在哺乳动物细胞中纤毛中产生的cAMP可以特异性抑制Hedgehog信号转导。
由于纤毛而非胞质中的cAMP会特异性地影响Hedgehog信号转导，所以作者们提出了一个假设，此现象可能是由于纤毛而非胞质中的GPCR信号途径会调节Hedgehog。为了对这一假设进行检测，作者们开发了一种由设计药物DREADD单独激活的GPCR在纤毛和质膜不同亚细胞定位版本的工具。作者们发现与cAMP相似，纤毛内GPCR的活性会特异性地影响Hedgehog信号转导。
那么细胞是如何识别纤毛内和胞质内的cAMP的呢？为了对该问题进行解析，作者们构建了一个针对纤毛生长细胞的计算模型，可以对纤毛内外cAMP激活cAMP效应蛋白PKA（ProteinkinaseA）等的动力学过程进行模拟。通过该计算模拟系统，作者们发现纤毛中的面容比也就是面积与体积的比例更大，因而在纤毛中cAMP的效应蛋白对于cAMP更加敏感。而这正是细胞识别不同亚细胞定位的cAMP的具体机制。进一步通过在斑马鱼中进行的遗传学实验，作者们证实cAMP的确是通过激活PKA来影响Hedgehog信号转导的。
图2工作模型总的来说，该工作首次在哺乳动物细胞以及斑马鱼的发育过程中揭示出初级纤毛中cAMP的产生对于Hedgehog信号转导的特异性影响，并且通过光遗传学以及化学药物遗传学的方式构建了不同亚细胞定位特异性的cAMP的储蓄库，可以对cAMP在体内不同空间位置的功能进行鉴定（图2）。
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