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经典的细胞骨架是由微管（microtubule）、微丝（F-actin，丝状肌动蛋白）或者中间丝组成的三维网络结构，在维持细胞稳定、胞内物质运输以及细胞运动方面发挥关键作用。除此之外，动物细胞中还存在一种二维网格状的膜骨架。

这个以血影蛋白（spectrin）为基础的膜骨架系统紧贴在细胞膜内侧，平行于细胞膜分布，赋予细胞膜更高的机械强度和可塑性。通过与膜蛋白的互作，膜骨架可以调控膜蛋白在细胞膜上的定位，促进膜蛋白聚簇形成高级组织形式，同时也参与调控细胞对外界信号的响应。

我们对膜骨架最早的认知来自于红细胞，在上世纪60年代，科学家首次在红细胞中确认了这一结构的存在。随后，众多研究着重关注了其在神经元中的作用，尤其是在轴突起始段（axon initial segments）和郎氏结（nodes of Ranvier）的形成中必不可少，神经元的动作电位起始和快速传播同样离不开膜骨架。此外，上皮细胞和淋巴细胞等多种细胞类型的细胞膜上都确认了膜骨架的存在。 

▲红细胞膜骨架示意图（图片来源：DOI:10.1182/blood-2014-12-512772）

红细胞的膜骨架整体上呈现六边形为主的二维网格结构。这些网格以一种较短的F-actin为网格节点，以血影蛋白四聚体为网格线；每一个节点上，F-actin连结多条血影蛋白纤维，将其汇聚到一起。

多种F-actin结合蛋白进一步稳定这种连结并调控其功能，包括不同F-actin通用的原肌球蛋白（tropomyosin）和原肌球调节蛋白（Tropomodulin, Tmod），以及膜骨架特异的内收蛋白（adducin）、protein 4.1（P4.1）和微丝结合蛋白dematin等。这种由肌动蛋白（actin）、血影蛋白及辅助因子组成的网格节点被称为血影蛋白-肌动蛋白连接复合体（spectrin-actin junctional complex），是膜骨架的核心复合物。

目前，领域内对连接复合体的结构研究比较滞后，缺乏高分辨的结构信息，这很大程度上限制了对其组成因子功能角色的深入理解。

2023年4月11日，北京大学生命科学学院高宁课题组在《细胞》（Cell）期刊在线发表研究论文，对从猪血红细胞中分离得到的膜骨架网格进行了冷冻电镜结构分析，最终获得了连接复合体的高分辨结构，揭示了连接复合体和膜骨架组装的分子细节，阐释了其组成因子在膜骨架组装和稳定性维持方面的分子机制。

▲血影蛋白-肌动蛋白连接复合体冷冻电镜结构及6层F-actin示意图（图片来源：研究作者供图）

对于结构分析工作的难点，高宁教授介绍道：“膜骨架是一个高度不均一的网状样品，不同于常规的冷冻电镜单颗粒样品，这给样品的冷冻制样以及后续数据处理都带来了不小的挑战。这项工作通过分析‘半纯化’的样品从而获得高分辨的结构，也是冷冻电镜应用的一种新路线。”

从冷冻电镜结构中，我们可以清楚地理解连接复合体的组织形式。其核心部分是由12个肌动蛋白亚基组成的6层F-actin。在第1层到第5层（见上方右侧示意图，从上到下）之间总共固定有8根血影蛋白纤维。

F-actin极性相反的两端分别被称作pointed end和barbed end。研究发现， Tmod单体与一个新发现的组成因子SH3BGRL2共同组成了完整的帽子结构，扣在pointed end；而barbed end的帽子蛋白则是adducin四聚体。这些蛋白共同维持了F-actin的稳定性。

此外，两条原肌球蛋白卷曲螺旋（tropomyosin coiled coil, TMCC）分别结合在F-actin的两侧，与Tmod和adducin也分别互作，三者共同决定了连接复合体的长度。而在F-actin的第2层到第5层之间，三个dematin分子以环状结构环绕连接复合体的主干部分，与多个肌动蛋白和血影蛋白亚基互作。

从整体上来看，连接复合体的组成因子都分别与内部的多个亚基互作，构成了一个错综复杂的相互作用网络，共同维持了血影蛋白-肌动蛋白连接复合体的结构稳定性。

此外，该研究还发现了一种新的原肌球蛋白与F-actin的结合模式。与以往的直接互作相反，连接复合体中的原肌球蛋白主要通过与血影蛋白、dematin、adducin互作，间接地结合在F-actin纤维上。

▲连接复合体中TMCC与F-actin间接结合（图片来源：研究作者供图）

进一步的结构分析发现，连接复合体的组成元件存在多种层面的功能冗余性。（例如连接复合体含有8条血影蛋白纤维，而红细胞膜骨架通常只是六边形网格。）研究团队推测，这种冗余性可能是一种故障保险机制，保证了膜骨架组装的鲁棒性，并为膜骨架的变形提供了支持。

综上，该工作解析了红细胞膜骨架的核心复合物血影蛋白-肌动蛋白连接复合体的高分辨结构，为理解膜骨架的组装和动态性以及其组成元件在膜骨架稳定和调控中的分子机制提供了结构框架。此外，多个连接复合体的组成因子都属于通用性的F-actin结合蛋白，因此该工作的研究结果也为其他的F-actin系统提供了重要的结构和机制信息。

“高分辨的结构为理解红细胞膜骨架的超强稳定性以及极大的可塑性提供了基础，也使得我们可以去分析很多遗传性红细胞疾病致病突变的可能致病机制，从而也为治疗提供了新的线索。”高宁教授点评道。

北京大学生命科学学院高宁教授和李宁宁副研究员为本文的共同通讯作者，李宁宁和北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈思伊（昌平实验室研究生项目）为本文的共同第一作者。清华大学生命科学学院张强锋教授和课题组博士后徐魁、北京生命科学研究所董梦秋研究员和课题组博士生何梦婷也参与了这项工作。

参考资料：

[1] Structural basis of membrane skeleton organization in red blood cells. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.017