《Seminars in Cell & Developmental Biology》：Conserved machinery, divergent functions: evolutionary plasticity of the STK36/ULK4 kinase complex in ciliogenesis and signaling
编辑推荐：
纤毛是真核生物中古老且重要的细胞器，参与细胞运动、感觉感知及信号转导，其功能障碍可导致一系列人类纤毛病。在此背景下，STK36/ULK4激酶复合物作为一种保守的分子机器，被证实对运动纤毛的发生至关重要。Fused（Fu，STK36直系同源物）最早在果蝇（Dro
纤毛是真核生物中古老且重要的细胞器，参与细胞运动、感觉感知及信号转导，其功能障碍可导致一系列人类纤毛病。在此背景下，STK36/ULK4激酶复合物作为一种保守的分子机器，被证实对运动纤毛的发生至关重要。Fused（Fu，STK36直系同源物）最早在果蝇（Drosophila）中被鉴定为Hedgehog（Hh）信号通路的调控因子，是一种在真核生物谱系中保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，但其功能存在显著分歧。在昆虫与硬骨鱼中，STK36对Hh通路至关重要，而在哺乳动物中，其对Hh信号转导非必需，却是纤毛组装的关键因子。累积证据表明，STK36与ULK4形成复合物，在纤毛发生中发挥古老且保守的作用，该功能的起源可追溯至鞭毛原生生物，并与人类纤毛病——原发性纤毛运动障碍（PCD）密切相关。这提示STK36的祖先功能根植于纤毛发生，而其被整合入昆虫与硬骨鱼的Hh通路属于谱系特异性适应。本综述整合遗传学、生物化学及细胞生物学研究证据，系统阐释STK36/ULK4的功能。鉴于其在人类运动纤毛病中的重要作用，深入研究不仅有助于阐明其进化历史，还可能为PCD的治疗提供新思路。
1. 引言
纤毛是进化保守的细胞器，在物种间介导机械与化学感觉功能。纤毛的区室化依赖于大分子复合物的组装与招募，形成纤毛轴丝，并作为与细胞质分隔的信号枢纽，实现精准的局域信号转导，其中包括Hedgehog（Hh）信号通路。该通路在动物发育与组织稳态中发挥核心作用，其在无脊椎动物与脊椎动物系统中存在两点关键差异：信号转导发生的细胞区室及参与的通路组分。哺乳动物中，Hh信号依赖初级纤毛，而果蝇中信号转导发生于细胞质。Fused（Fu，即丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶36，STK36）是果蝇Hh信号的关键组分，但在哺乳动物中对Hh信号基本非必需，反而与ULK4共同调控运动纤毛的生物发生。纤毛驱动的运动与信号转导的多样性，为探索Hh信号与纤毛的祖先关联提供了独特视角。STK36/ULK4互作在真核生物中保守，对运动纤毛生物学至关重要。因此，ULK4对STK36的调控可能代表其祖先作用模式，而其在Hh信号中的缺失反映了STK36功能与调控的分歧。STK36的双重角色体现了进化共选择（evolutionary co-option）：古老的纤毛模块被重新用于信号转导场景。本综述首先概述纤毛生物学与Hh信号通路，随后分别讨论STK36在纤毛与信号中的功能，并提出模型：STK36参与昆虫谱系Hh信号属于衍生特化，反映了现有分子机器被重新用于新信号场景的进化现象。
2. 纤毛概述
真核纤毛是进化保守的毛发状细胞器，由中心粒来源的基体延伸出的微管基轴丝构成，外被特化的质膜延伸结构。基体是由9组微管三联体及附属结构组成的修饰中心粒，过渡区连接基体与纤毛轴丝，作为蛋白质进出纤毛的选择性屏障，维持纤毛区室与细胞质不同的蛋白质组成。脊椎动物纤毛类型多样：运动纤毛拥有驱动运动的复杂装置，核心是9+2微管构型；初级纤毛无运动能力，特化介导感觉功能，通常缺乏中央微管对（CP）与动力臂（9+0构型）；同时存在特殊类型，如节点纤毛为9+0构型的运动纤毛，嗅觉上皮嗅觉纤毛与内耳动纤毛为9+2构型但无运动能力，胰岛初级纤毛可主动运动且存在多种含中央微管的轴丝构型。
2.1 运动纤毛
运动纤毛（单细胞真核生物与精子中亦称鞭毛）的轴丝包含中央微管单管对与周围9组外周微管二联体（9+2构型）。外周微管二联体上周期性排列大型多蛋白复合物，执行精密的机械功能。9+2构型被认为是纤毛轴丝微管的祖先形式，存在于所有真核生物分支。祖先运动纤毛兼具运动与感觉功能，在早期真核生物中介导生物体滑行运动、摄食流产生及信号转导所需的受体局域化分布。哺乳动物中，运动纤毛位于多纤毛上皮细胞顶表面，每个细胞可拥有数百根运动纤毛，通过同步摆动在多纤毛上皮产生定向流体流动，执行组织特异性功能：气道中参与黏液纤毛清除，将吸入的病原体、污染物与过敏原随黏液排出；脑室室管膜细胞纤毛参与脑脊液循环；雌性生殖道纤毛参与卵母细胞向子宫转运；雄性生殖道输出小管纤毛参与精子从睾丸向附睾转运（其摆动方向与精子运输相反，可能选择性筛选低浓度精子）；精子鞭毛介导精子运动，对雄性生育力至关重要。
2.2 初级纤毛
初级纤毛区别于运动纤毛，具有9+0轴丝，缺乏运动相关蛋白复合物。其存在于大多数脊椎细胞类型中，通过多种信号通路参与环境线索感知与胞间信号转导。研究最深入的纤毛依赖通路是Hh信号通路，该通路是发育调控的核心通路，同时调节成体干细胞与肿瘤发生。初级纤毛为通路激活与信号传递提供特化区室，对Hh通路严格必需。此外，初级纤毛还容纳嗅觉、光感受与机械感受的受体及信号装置，介导多种细胞类型的G蛋白偶联受体（GPCR）信号，调控细胞增殖、神经发育、认知、代谢稳态与能量平衡。
3. Hh通路概述与进化分歧
Hh信号是后生动物发育与组织稳态调控的核心通路。经典Hh通路的信号接收系统依赖Hh结合受体Patched（PTCH）与GPCR样蛋白Smoothened（SMO）的互作。无Hh配体时，PTCH抑制SMO，阻断通路活性；Hh结合PTCH则解除抑制，使转录因子Ci/GLI从抑制形式（CiR/GLIR）向激活形式（CiA/GLIA）转换，调控靶基因表达。尽管进化保守，Hh信号在无脊椎与脊椎动物中存在显著分歧，最核心差异是信号转导的细胞区室：哺乳动物中严格依赖初级纤毛，核心组分定位于纤毛内并发生互作；果蝇中多数细胞无初级纤毛，信号转导发生于细胞质。此外，通路组分也存在差异，STK36/Fu是主要分歧点：果蝇中Fu是Hh信号复合体的正调控因子，调控Ci修饰；哺乳动物中KIF7、SUFU与GLI功能与其果蝇同源物高度相似，但STK36对通路非必需，反而与ULK4形成复合物调控运动纤毛发生。这种分歧暗示进化共选择事件：STK36的祖先功能是调控运动纤毛，该作用在依赖纤毛运动的生物中高度保守；其后续参与Hh信号属于衍生特化，反映了现有分子机器被重新用于新信号场景。STK36/ULK4复合物兼具古老纤毛功能的延续与新信号能力的进化创新，凸显激酶家族在塑造细胞结构与通讯中的动态适应性。
4. STK36与ULK4的分子结构
4.1 结构域组成与序列保守性
STK36与ULK4属于Unc-51样激酶（ULK）家族，该家族是真核生物保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族。人类激酶组中ULK家族包含5个成员：ULK1、ULK2、ULK3、STK36与ULK4，其中ULK4为假激酶，其余为活性激酶。所有ULK激酶均包含N端激酶域与C端调控域，后者调控激酶域活性与蛋白互作。ULK1与ATG13、FIP200形成复合物，是自噬起始的核心；ULK2是ULK1最近旁系同源物，结构域高度保守，二者在自噬中发挥部分冗余作用；ULK3体积显著更小，包含N端激酶域与串联微管互作与运输（MIT）域，介导与ESCRT-III亚基结合，调控胞质分裂脱落；STK36与ULK4是ULK家族最大成员，C端域均包含大量犰狳重复序列（armadillo repeats）。STK36与ULK4通过其N端激酶域互作，该复合物参与运动纤毛功能与Hh信号调控。STK36直系同源物的N端激酶域高度保守，以人STK36激酶域为参考，其他物种同源性介于盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum，48.2%）与家犬（Canis familiaris，98.4%）之间，相似性介于黑腹果蝇（Drosophila melanogaster，73.2%）与家犬（99.6%）之间。STK36直系同源物的最大似然树与物种关系存在偏差，可能反映功能聚类：硬骨鱼STK36与昆虫聚为一支而非其他脊椎动物，可能与是否参与Hh信号相关；莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）STK36未与拟南芥（Arabidopsis thaliana）聚为一支，因拟南芥无纤毛，而莱茵衣藻为有纤毛生物，STK36可能发挥纤毛相关功能。
4.2 ULK4激酶域及其与STK36的互作
ULK4虽可结合ATP（不依赖Mg2+），但无法催化磷酸转移。X射线晶体学解析的ULK4激酶域结构显示，其与活性家族成员存在多个关键差异，导致其催化活性缺失与独特的ATP结合机制：G富含环（调控ATP结合与催化）的最后一个甘氨酸被赖氨酸取代；ATP结合基序VAIK变为VAIL，介导β3与αC盐桥的赖氨酸残基丢失；催化环上的HRD基序变为FCD，催化天冬氨酸残基保守；参与ATP与Mg2+结合的DFG基序变为NFC。ULK4激酶域最显著的结构特征是激活环上存在大螺旋插入，与αC packing，可能补偿β3-αC盐桥的丢失。BioID邻近标记、免疫共沉淀与酵母双杂交实验均证实STK36与ULK4在体外互作，邻近标记将互作精确定位于ULK4激酶域；酵母双杂交实验进一步表明，互作仅由二者的激酶域介导，该结合模式不同于其他ULK家族成员通过C端调控域结合伙伴的模式，提示ULK4可能直接调控STK36激酶域活性。
5. 在运动纤毛形成与功能中的作用
跨谱系的STK36/ULK4复合物研究揭示其对运动纤毛组装与功能的调控作用高度保守，提示其祖先功能根植于运动纤毛相关通路，而参与Hh信号是进化衍生的。
5.1 原生生物中的STK36/ULK4
在动质体寄生虫布氏锥虫（Trypanosoma brucei）中，Fused与ULK4共定位于组装中鞭毛尖端的鞭毛连接器区，敲低任一基因不影响鞭毛连接器，但敲低Fused导致少量细胞胞质分裂不完全，该表型与鞭毛运动缺陷突变体一致。在另一种动质体寄生虫墨西哥利什曼原虫（Leishmania mexicana）中，Fused与ULK4对鞭毛组装与游动行为不可或缺：单独敲除任一基因均导致鞭毛缺失、运动丧失、游动速度降低、鞭毛长度缩短及9+2轴丝微管排列异常，双敲表型与单敲一致；BioID与免疫沉淀质谱证实二者互作，提示其功能在同一通路。
5.2 扁形动物中的STK36
在涡虫（Schmidtea mediterranea）中，运动依赖腹侧上皮的运动纤毛。敲低fused导致腹侧纤毛显著丢失与动物运动能力受损，但不影响Hh靶基因表达或Hh相关的再生过程，提示STK36不参与Hh信号，仅调控运动纤毛。
5.3 哺乳动物中的STK36/ULK4
小鼠中，Stk36高表达于呼吸上皮、室管膜、脉络丛、输卵管与睾丸；Ulk4高表达于脉络丛与室管膜细胞，与运动纤毛发生基因表达谱一致。Stk36-/-小鼠胚胎发育正常，但出生后出现生长迟缓、交通性脑积水与化脓性鼻炎等纤毛缺陷相关表型，多在两周内死亡，存活至性成熟的个体均不育。Ulk4-/-小鼠表型高度相似，同样出现生长迟缓、严重脑积水、化脓性鼻炎、中耳炎、鼻窦炎，三周内死亡。Stk36-/-小鼠气道纤毛轴丝超微结构缺陷：60%缺乏中央微管对，纤毛极性错位、摆动不协调、波形异常，无法产生定向流体流动；输卵管纤毛90%轴丝结构异常（多缺乏中央微管对），定向流生成受阻；室管膜纤毛数量大幅减少，取向紊乱，轴丝超微结构异常，基体错位。Ulk4亚效等位基因小鼠室管膜纤毛数量骤减，纤毛与基体取向紊乱，轴丝结构不规则（缺失中央微管或外周二联体微管）。Stk36-/-小鼠胚胎成纤维细胞中，初级纤毛形成与Hh信号活性均无缺陷。Stk36-/-与Ulk4-/-小鼠整体与器官表型高度相似，提示二者参与同一通路调控哺乳动物运动纤毛；多项实验证实二者直接互作，且仅通过N端激酶域介导，该复合物在哺乳动物中保守，对运动纤毛相关生物学过程至关重要。
5.3.1 STK36作为运动纤毛病基因
人STK36近期被鉴定为原发性纤毛运动障碍（PCD）的致病基因。PCD是一组常染色体隐性遗传异质性疾病，特征为运动纤毛结构与功能缺陷。与其他已知PCD基因编码轴丝结构成分不同，STK36并非轴丝结构组分，符合其调控运动纤毛发生与功能的保守角色。PCD患者携带STK36无义突变，产生截短蛋白（含完整N端激酶域），纯合突变且无其他已知PCD致病突变，表现为多纤毛缺陷、反复鼻窦炎、中耳炎伴听力损伤、肺炎与支气管扩张；呼吸道纤毛缺乏协调摆动，波形异常；精子活力降低。多数气道纤毛轴丝结构正常，约5%为9+0或8+0构型，但基体取向与纤毛极性紊乱，无法产生有效定向流。澳大利亚牧羊犬中也发现首个犬PCD致病STK36突变，为截短突变（编码含激酶域的N端2/3蛋白），患病犬表现为反复鼻炎与鼻分泌物，纤毛表型与人类患者相似（基体排列异常，轴丝不规则频率升高）。两例PCD病例均提示STK36的调控域对其正常功能至关重要。
5.4 其他脊椎动物中的STK36
除哺乳动物外，STK36在其他脊椎动物中也参与运动纤毛功能。斑马鱼（Danio rerio）胚胎的左右不对称由库普弗囊（KV）表面的运动纤毛建立；fu吗啉代敲低的斑马鱼中，KV的9+2运动纤毛轴丝微管构型缺陷，无法建立逆时针流，左右不对称随机化；小鼠Stk36可挽救该缺陷，但果蝇Fu不能，提示运动纤毛调控元件在脊椎动物STK36中保守，果蝇Fu已丢失该功能。STK36也在鸡的气道与输卵管上皮、热带爪蟾（Xenopus tropicalis）的输卵管与睾丸中高表达。STK36的激酶域序列在后生动物、单细胞真核生物与植物基因组中均保守，提示其对运动纤毛发生的调控作用可追溯至运动纤毛的起源。
6. 在Hh信号通路中的作用
6.1 无脊椎动物中
6.1.1 果蝇中的Fused
Fu最初作为果蝇体节极性基因被鉴定，后续克隆证实其为丝氨酸/苏氨酸激酶，通过激酶活性作为Hh信号通路的中间介质。Fu包含N端催化域与C端调控区，二者均为活性所必需。催化域的丝氨酸与苏氨酸残基磷酸化后激活，启动下游Hh通路。Fu与Ci、Sufu形成稳定复合物（Hh信号复合体，HSC），通过驱动蛋白家族蛋白Costal2（Cos2）锚定于微管。HSC调控Ci向全长激活形式CiA与加工抑制形式CiR的转换，Fu作为Hh通路的正调控因子。Fu的功能依赖其与Cos2的物理互作（由Fu调控域介导），该互作对Hh通路活性至关重要。无Hh配体时，Cos2介导HSC组装，作为支架募集组分靠近，同时将HSC锚定于微管，使PKA、CKI与GSK3集中于复合物内，高效磷酸化Ci并加工为抑制形式；Fu主要提供支架作用，促进Ci磷酸化。Hh结合并激活SMO后，SMO的C端尾招募Cos2/Fu复合物，PKA底物偏好从Ci转向SMO，诱导SMO构象变化，促进Fu二聚化；Cos2作为分子支架将多个Fu分子拉近，RNAi敲低Cos2可阻断Hh诱导的Fu激活。Fu激活的核心机制是其激酶域二聚化，使激活环特定位点（T154、T158、S159）自磷酸化。激活的Fu磷酸化Ci，解除Sufu介导的抑制，使其转化为CiA；Fu还可磷酸化Ci的S218与S1230， priming其被CKI进一步磷酸化，近期还发现更多Fu磷酸化位点（S286、T294、S1382），确保边界区域信号稳健激活。激活的Fu还可磷酸化SMO，形成正反馈增强SMO磷酸化。Fu也可磷酸化Cos2，但该事件对Ci激活的功能意义尚存争议：有研究认为Cos2磷酸化稳定全长Ci，也有研究指出其对转录激活非必需，可能通过影响Cos2与其他激酶互作或亚细胞定位调控Ci稳定性。早期认为Fu通过磷酸化灭活Sufu解除Ci抑制，但后续遗传与结构分析表明，Sufu对通路激活基本非必需，其主要作用是作为分子桥，将Fu与Ci拉近，促进Fu对Ci的磷酸化。
6.1.2 其他无脊椎动物中的STK36
飞蝗（Locusta migratoria）中，Fu激酶域与其他昆虫Fu高度同源，在器官发生与翅原基形成初期高表达，定位于头部、触角、下颌与腿节，提示可能参与早期发育与Hh通路。小菜蛾（Plutella xylostella）中，Fu的N端与C端结构域与果蝇Fu分歧极小，表达随发育升高并在成虫期达平台，RNAi敲低导致发育停滞、幼虫死亡与预蛹畸形，表型模拟果蝇Fu突变体；Fu还在Bt抗性幼虫中上调，敲低Fu可逆转抗性，提示其可能通过调控中肠稳态再生或交叉对话（如MAPK信号）参与Bt抗性。
6.2 脊椎动物中
6.2.1 硬骨鱼中的STK36
斑马鱼中Fu同时参与Hh信号与纤毛发生，处于进化中间态。fu在受精卵阶段至受精后24小时高表达，吗啉代敲低导致生长迟缓与神经坏死；早期发育中，Fu参与Smurf介导的BMP/TGFβ受体降解，终止BMP/TGFβ信号，建立背腹模式，后期Hh信号进一步增强该模式。敲低fu降低体节ptc1表达，消除Hh依赖的肌先锋细胞群，该缺陷可被小鼠Stk36挽救，但果蝇Fu不能，提示运动纤毛调控元件在脊椎动物STK36中保守。青鳉（Oryzias latipes）中，Fu也参与Hh通路：Hh配体在神经管形成腹背梯度，以浓度依赖方式指定细胞命运；敲低fu下调高阈值 ventral 基因nkx2.2，过表达fu则扩增中间阈值基因olig2与nkx6.1的表达（绕过SMO的上游抑制）；fu本身是Hh通路的转录靶标，提示其通过正反馈放大信号。综上，硬骨鱼STK36是理解纤毛发生与Hh信号协同进化的关键切入点：无脊椎STK36通过非纤毛依赖通路直接参与Hh级联，脊椎STK36保留纤毛祖先功能（脊椎Hh信号的核心细胞器），硬骨鱼STK36兼具双重角色；小鼠STK36可挽救斑马鱼缺陷，提示脊椎STK36含有耦合纤毛结构与Hh输出的保守结构域，而哺乳动物似乎发展出补偿机制，基本解离STK36与Hh信号的关联。
6.2.2 哺乳动物中的STK36/ULK4
哺乳动物STK36最初基于序列同源性被鉴定，推测其作为Hh通路保守正调控因子，类似果蝇Fu，通过拮抗SUFU释放GLI蛋白。早期体外研究显示，人STK36转染Hh响应细胞可增强报告基因表达；全长STK36可轻度增强HEK293细胞中GLI2表达，但无法拮抗SUFU对GLI表达的抑制。然而，两项独立研究证实Stk36-/-小鼠胚胎发育正常，Hh敏感组织（神经管、肢体、毛囊）无形态学缺陷，表明STK36对哺乳动物胚胎Hh信号非必需。部分体外研究仍提示STK36可能参与脊椎动物Hh信号：STK36可诱导Shh-L2细胞中GLI2依赖的荧光素酶活性（效力较低）；敲低STK36显著降低GLI2磷酸化与下游基因表达；STK36与GLI2在HEK细胞中免疫共沉淀（不依赖Hh）；STK36与支架蛋白ULK4协同磷酸化GLI2，双敲低对GLI2磷酸化的抑制程度与单敲低相当；磷酸化诱导的ULK4 SUMO化驱动其在纤毛尖端凝聚，招募STK36与GLI2/SUFU复合物，促进GLI2磷酸化与激活。另有研究提示ULK3可作为STK36的冗余激酶：NIH3T3细胞中单独敲除Ulk3或Stk36仅降低Hh诱导的Gli2磷酸化，双敲除则完全消除该磷酸化事件。这些体外证据与体内遗传证据的矛盾可能源于细胞培养系统无法完全模拟通路调控复杂性，或STK36仅在特定组织/出生后阶段参与Hh信号，亦或由ULK3等激酶补偿其功能，需体内研究进一步明确其生理相关性。
7. 在其他微管相关功能中的作用
STK36进化古老，在植物与原生生物中保守，其深层保守性源于微管互作的原始功能，该功能在不同谱系中保留。拟南芥中，STK36同源物two-in-one（tio）突变体因胞质分裂失败导致花粉粒缺陷：TIO定位于成膜体中线（引导细胞板形成的微管结构），敲低tio损害细胞板扩展，配子发生后形成双核细胞与不完整细胞壁；TIO与驱动蛋白-12A互作（类似Fu与Cos2的互作），通过C端犰狳重复序列直接结合，激酶域与C端域均为功能必需；TIO还通过C端非催化区与驱动蛋白TETRASPORE互作，负调控雄减数分裂胞质分裂。盘基网柄菌中，STK36同源物tsunami（tsuA）突变体因细胞聚集缺陷形成更小的噬菌斑与子实体，趋化运动受损、运动步长更短、方向持续性差、无法形成极化形态，表型可被回补；TsuA组成型结合微管，微管破坏与tsuA功能缺失表型高度重叠，强调STK36的祖先功能基于微管相关过程。四膜虫（Tetrahymena thermophila）中，STK36同源物cdaH-1不参与纤毛发生，而是全局与局域细胞内模式的关键调控因子：CdaH沿皮层微管行呈斑点状定位，强度向细胞后端递减；在细胞水平，CdaH将口原基锚定在前-后轴的赤道下正确位置，突变体口原基前移；在细胞器水平，CdaH与基体互作并调控基体，进一步体现STK36在微管相关过程中的进化适应。
8. 结论与未来方向
现有证据重塑了对Fu/STK36
