細胞膜表面廣泛存在絲狀偽足、隧道納米管、收縮絲等多種管狀突起結構。這些結構具有高膜曲率特性，在細胞通訊、遷移、信號轉導等生命活動中發(fā)揮關鍵作用。盡管細胞骨架系統(tǒng)穩(wěn)定膜管機制的研究已較為深入，但跨膜蛋白如何在膜管內(nèi)有序組裝、如何響應機械力并維持膜管完整性，目前仍存在大量研究空白，極大地制約了我們對于細胞膜動態(tài)調(diào)控機制的理解。

2026年6月9日，清華大學生命科學學院俞立教授、王宏偉教授及香港大學劉楠助理教授團隊在Vita期刊在線發(fā)表了題為Polymerization of Tetraspanin 7 into Helical Transmembrane Skeletons for Tubular Membrane Stabilization的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，四跨膜蛋白TSPAN7能夠感知膜曲率，并在高曲率管狀膜上聚合形成螺旋狀結構。這一此前未知的跨膜蛋白組裝機制，揭示了細胞維持膜管完整性的新原理：TSPAN7螺旋如同一個嵌入脂雙層內(nèi)部的“跨膜骨架”，從膜內(nèi)為收縮絲、隧道納米管等提供機械支撐，有效抵抗剪切力誘導的膜管變形與破裂。

TSPAN7感知高曲率，并穩(wěn)定管狀膜結構

細胞表面的膜管突起種類多樣，包括收縮絲、隧道納米管、絲狀偽足等。盡管功能各異，它們共同面臨的挑戰(zhàn)是：如何在極高的膜曲率下保持穩(wěn)定？研究團隊聚焦于 TSPAN7—— 一個與智力障礙、病毒感染、糖尿病和癌癥進展密切相關的四跨膜蛋白。

研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠腎上皮細胞中過表達 TSPAN7 可顯著促進收縮絲和隧道納米管的形成，且 TSPAN7 高度富集于這些膜管結構上。定量分析顯示，外源性 TSPAN7 在收縮絲上的富集程度約為細胞胞體的 50 倍； 為進一步驗證內(nèi)源性TSPAN7的分布特征，研究者構建了TSPAN7-GFP敲入小鼠，從淋巴結中分離淋巴管內(nèi)皮細胞（LECs），發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性TSPAN7在收縮絲上的富集程度 更是 達 到了驚人的 136倍。（圖1a）。通過光鑷拉伸膜管實驗，研究團隊進一步證實 TSPAN7 對高膜曲率具有敏銳的感知能力 —— 膜管曲率增加時， TSPAN7 的富集程度也隨之增強。

為探究 TSPAN7 是否直接參與膜管穩(wěn)定，團隊建立了 基于巨型單層囊泡（GUV）的最簡化 體外重構系統(tǒng)。 不含蛋白的GUV在親水表面鋪展后，邊緣拉出的膜管網(wǎng)絡在數(shù)分鐘內(nèi)即坍縮為囊泡；而嵌有TSPAN7-GFP的GUV中，TSPAN7迅速富集到膜管上，膜管網(wǎng)絡即使在過夜后仍保持穩(wěn)定（圖1b）。 由于 TSPAN7 是該體系中唯一的蛋白組分，這一結果直接證明， TSPAN7 單獨即可感知并穩(wěn)定高曲率膜管。

圖1. TSPAN7富集在管狀膜上，并穩(wěn)定其結構

TSPAN7在膜管上形成有序螺旋態(tài)組裝

一個出人意料的現(xiàn)象引起了團隊的注意。通常情況下，膜蛋白在脂雙層中具有一定的側向擴散能力。然而，光漂白恢復實驗顯示， TSPAN7 在收縮絲和隧道納米管上幾乎完全不發(fā)生熒光恢復 —— 它被 “ 鎖定 ” 在了管狀膜上。與此形成鮮明對比的是，同一家族的其他成員（如 TSPAN4 、 TSPAN27 等）在膜管上仍保持較高的流動性。這種異常的不動性暗示， TSPAN7 可能在膜管上形成了某種高級有序結構。

研究團隊采用 “ 活細胞成像引導冷凍電鏡結構研究 ” 策略，首先通過熒光成像精確定位表達 TSPAN7-GFP 的收縮絲，隨后對同一區(qū)域進行冷凍電鏡成像。結果清晰地揭示：在 TSPAN7 富集的收縮絲上，存在一個規(guī)則的右手螺旋結構，由多條原絲纖維纏繞而成，盤踞于膜管之中；而對照的 TSPAN4 收縮絲上則完全不存在這種螺旋結構。 進一步分析顯示，在靠近細胞胞體的近端區(qū)域（膜曲率開始增加處）未見螺旋結構，而在遠離細胞的遠端區(qū)域則可見清晰有序的螺旋排列。這表明，TSPAN7螺旋組裝隨著收縮絲的延伸而逐漸形成并趨于穩(wěn)定。

為解析 TSPAN7 螺旋組裝的分子基礎，研究團隊開展了系統(tǒng)的結構生物學研究。由于 TSPAN7 分子量較小且膜結構具有柔性，團隊巧妙設計了 TSPAN7 串聯(lián)二聚體構建體，顯著提高了螺旋組裝的均一性。結合冷凍電鏡單顆粒分析和螺旋重構技術，團隊最終獲得了高分辨結構模型，揭示了一個精妙的組裝機制：在螺旋結構中，多條原絲纖維纏繞形成右手螺旋，嵌入細胞膜內(nèi)部；在每條原絲纖維內(nèi)部，TSPAN7分子以“頭對頭、背靠背”的方式，通過兩個關鍵的相互作用界面發(fā)生聚合，這與微管的組裝方式極其相似（圖2）。

圖2. TSPAN7在收縮絲上組裝成螺旋形寡聚結構

當研究人員同時突變這兩個界面后， TSPAN7 雖然仍能定位到收縮絲上，卻完全喪失了形成螺旋結構的能力。光漂白恢復實驗顯示，雙突變體的流動性顯著增加；其促進收縮絲形成的能力及在膜管上的富集程度均明顯下降。在體外重構體系中，雙突變體也無法穩(wěn)定膜管網(wǎng)絡。這些結果證實，所鑒定的兩個相互作用界面是 TSPAN7 螺旋組裝和膜管穩(wěn)定功能所必需的。

螺旋骨架幫助膜管抵抗流體剪切力誘導的形變

螺旋骨架究竟為膜管帶來了什么？細胞表面的膜管突起時刻面臨體液流動、細胞遷移等產(chǎn)生的機械力刺激。剪切力可在脂雙層上施加切向力，導致膜管拉長和變窄。那么， TSPAN7 螺旋骨架是否在抵抗這種機械形變中發(fā)揮作用？

研究者設計了微流控流道實驗：將細胞置于通道中，施加可控的單向剪切流， 實時追蹤并 定量分析 細胞表面的 膜管在剪切力下的形變 。結果呈現(xiàn)出戲劇性的差異：在表達 螺旋組裝缺陷型TSPAN7雙突變體 的細胞中，膜管在剪切力作用下被迅速且劇烈地拉長變形；而在表達野生型 TSPAN7 的細胞中，絕大多數(shù)膜管僅發(fā)生有限形變。 熒光強度分布分析進一步揭示：突變體TSPAN7信號沿伸長的膜管迅速衰減，表明膜管發(fā)生了極端變窄；野生型TSPAN7則在膜管遠端保持強烈的連續(xù)信號，表明螺旋骨架的存在有效限制了管壁縮窄（圖3）。

圖3. TSPAN7跨膜骨架穩(wěn)定膜管結構

“跨膜骨架”新概念

傳統(tǒng)細胞骨架（微管、微絲、中間絲）位于細胞質(zhì)側，通過連接蛋白間接作用于細胞膜；而 TSPAN7 螺旋則完全不同：它是一個由跨膜蛋白構成、嵌入脂雙層內(nèi)部的骨架結構。從結構組裝上看， TSPAN7 螺旋則與微管具有驚人的相似性 —— 均由基本蛋白單元（二聚體）聚合形成線性原絲，再纏繞成高階螺旋管狀結構；從功能上看，兩者都提供結構支撐。然而， TSPAN7 螺旋的工作位置不在膜下，而在膜內(nèi)，使其成為一類獨特的膜骨架結構。 因此，研究者將其命名為“跨膜骨架”（transmembrane skeleton）（圖4）。 這一發(fā)現(xiàn)為理解細胞如何在復雜力學環(huán)境中維持膜結構完整性提供了新的理論框架。

圖4. TSPAN7感應膜曲率，并組裝形成跨膜螺旋骨架，穩(wěn)定細胞膜上的管狀結構

總之，該研究通過細胞生物學與結構生物學的有機結合，首次揭示了跨膜蛋白TSPAN7通過螺旋組裝形成“跨膜骨架”以穩(wěn)定高曲率膜管的完整分子機制。研究團隊提出，跨膜蛋白的有序聚合可能是細胞構建穩(wěn)定膜管結構的普遍策略——通過曲率感知實現(xiàn)精準定位，通過有序?qū)蛹壗M裝提供結構支撐，通過分子間緊密堆積賦予機械穩(wěn)定性，共同構建出能夠抵御外界機械力沖擊的動態(tài)膜管系統(tǒng)。

清華大學生命科學學院王東鋦博士和博士生賈霞為論文的共同第一作者。俞立教授、王宏偉教授及香港大學劉楠助理教授為共同通訊作者。香港大學任佳豪博士，特拉維夫大學 Raviv Dharan 博士，清華大學博士生鄭羿、李霄鵬、劉思遠，黃銘濤博士、徐魁博士、張起博士、 Sho Takami博士 共同參與了本研究。清華大學楊帆博士、張強鋒副教授，特拉維夫大學 Raya Sorkin 博士對本研究給予了重要指導。

原文鏈接：https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.05.0039

制版人： 十一

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