经典的细胞骨架是由微管（microtubule）、微丝（F-actin）或者中间丝组成的三维网络结构，在细胞的稳定性维持、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以血影蛋白spectrin为基础的二维网状形式的膜骨架系统。膜骨架平行于细胞膜分布，紧贴在细胞膜内侧，赋予细胞膜更高的机械强度和可塑性(Lux,2016)（图1）。膜骨架与细胞膜的功能活动密切关联：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。上世纪60年代，膜骨架首先在红细胞中发现，针对膜骨架的分子层面的研究也多以红细胞为模型。随后在神经细胞、上皮细胞和淋巴细胞等多种细胞类型的细胞膜上也证实了膜骨架的存在及其功能的重要性。膜骨架在神经细胞中的组织形式和功能也有较多研究，在轴突起始段（axoninitialsegments）和郎氏结（nodesofRanvier）的形成上起着关键作用。
图1红细胞膜骨架示意图
红细胞的膜骨架整体上呈现六边形为主的多边形二维网格结构，而在轴突细胞膜上，膜骨架沿着轴突以一维周期性网格（quasi-1Dperiodiclattice）的形式排布。这些网格以一种特异的短的F-actin为网格节点，以spectrin四聚体为网格线；每一个节点上，F-actin作为集线器连结多条spectrin纤维，将其汇聚到一起（图1）。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所通用的原肌球蛋白（tropomyosin）和原肌球调节蛋白（Tropomodulin，Tmod)，以及膜骨架特异的adducin、protein4.1（P4.1）和dematin等。这种由actin、spectrin及辅助因子组成的网格节点称为spectrin-actinjunctionalcomplex，是膜骨架的核心复合物。膜骨架主要通过两个位点与膜蛋白建立连接（Lux,2016；Mankelowetal.,2012）：一是junctionalcomplex通过P4.1、adducin、dematin与膜蛋白互作；二是在spectrin纤维的中段，由另一种蛋白因子ankyrin与多种膜蛋白形成ankyrincomplex（Bruceetal.,2003；Valleseetal.,2022；Xiaetal.,2022）。
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图2猪红细胞的膜骨架冷冻电镜原始成像图片（红色方框内为由多条spectrin纤维连接起来的两个临近的junctionalcomplex）
从高分辨的三维结构中可以清楚地理解junctionalcomplex的组织形式（图3）。junctionalcomplex全长约42nm，核心部分是由12个actin亚基组成的6层的F-actin。在第1层到第5层（图3中，从上到下）之间总共固定有8根spectrin纤维。调控F-actin长度的Tmod单体和adducin四聚体分别扣在F-actin的两端（pointedend和barbedend），阻止F-actin的延长或解聚。此外两条tropomyosincoiledcoil（TMCC）分别结合在F-actin的两侧，与Tmod和adducin也分别都有互相作用，三者共同决定了junctionalcomplex的长度。在第2层到第5层之间，三个dematin分子以延展的结构环绕junctionalcomplex的主干部分，与多个actin和spectrin亚基互作。从整体上来看，junctionalcomplex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spectrin-actin连结的结构稳定性。关于junctionalcomplex各个组分包括actin、spectrin、adducin的分子比例，此前也是领域争论的一个焦点，这项工作的结构部分也明确了各个组成因子在复合物中的化学计量比以及寡聚形式。
图3Spectrin-actinjunctionalcomplex冷冻电镜结构
图4Junctionalcomplex中TMCC与F-actin间接结合
进一步的结构分析发现，junctionalcomplex的组成元件存在多种层面的功能冗余性。（1）红细胞膜骨架主要呈六边形网格，但junctionalcomplex却含有8条spectrin纤维，即每个网格节点可以发出8条可用的网格线；（2）adducin四聚体共含有8条可结合actin的类似触手的柔性序列，但复合物中仅需要四条柔性序列的结合；（3）junctionalcomplex的tropomyosin含有两种亚型，可以同二聚体或异二聚体的形式组成TMCC，降低了一种亚型异常对复合物稳定性带来的影响；（4）Dematin是稳定junctionalcomplex的关键因子，复合物中结合有三个dematin分子，但却含有7个dematin的C端headpiece结构域的结合位点，有利于dematin的快速结合。这种多层次的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spectrin-actinjunctionalcomplex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一个结构框架。多个junctionalcomplex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它的F-actin系统提供了重要的结构和机制信息。此外，值得一提的是，膜骨架的样品极度不均一（图2），对颗粒挑选和高分辨结构计算都有很大的干扰，该工作的数据处理流程也为“半纯化的”（semi-purified）的复杂生物样品的结构研究提供了一种新思路。
高宁和李宁宁为本文的共同通讯作者，李宁宁和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。该研究得到了膜生物学国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、昌平实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划、启东-SLS创新基金的支持。北京大学电镜实验室、冷冻电镜平台、高性能计算平台、生命科学学院仪器中心及国家蛋白质基础设施（北大分平台）对本项目提供了重要的技术支撑。
参考文献：
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