酵母膜上septin高阶结构的体外重构揭示细胞骨架自组装机制

研究人员通过高速原子力显微镜(HS-AFM)解析酵母septin蛋白在近生理膜环境中的自组装规律，发现其选择性结合液相无序区(Ld)、形成三维有序结构，并具有自修复能力，为理解细胞分裂等过程中细胞骨架的膜重塑机制提供新见解。

　　

在真核细胞中，septin家族蛋白作为独特的细胞骨架成分，通过形成丝状结构参与细胞分裂、膜重塑等关键生命活动。然而，介于原子尺度与显微尺度之间的介观组装机制长期存在认知空白。尤其令人困惑的是，septin如何在膜表面自发组织成高阶结构来执行生物学功能？这一问题的解答对理解细胞形态建成和多种疾病（如癌症、神经退行性疾病）的病理机制至关重要。

为解决这一科学难题，美国威尔康奈尔医学院Simon Scheuring团队联合北卡罗来纳大学Amy S. Gladfelter实验室，在《Nature Communications》发表突破性研究。研究人员创新性地将高速原子力显微镜(HS-AFM)与酵母极性脂质膜模型结合，首次在近生理条件下捕捉到septin从单分子组装到三维结构的动态全过程。

研究采用三项核心技术：1）酵母极性脂质提取物构建支撑脂质双层(SLB)，模拟天然膜环境；2）重组表达纯化酵母septin异源八聚体(Cdc11-Cdc12-Cdc3-Cdc10-Cdc10-Cdc3-Cdc12-Cdc11)；3）HS-AFM实时成像结合力扫描技术，实现纳米级分辨率下的动态观测与机械操控。

酵母极性脂质膜存在三相分离
研究发现酵母膜自发形成液相无序(L_d)、液相有序(L_o)和凝胶相(L_β)，高度差达1.6 nm。这种相分离为septin组装提供天然模板。

septin特异性选择L_d相聚合
通过力扫描实验证实，septin丝仅结合L_d相（厚度3.4 nm），并沿相边界精准排列。这种选择性可能源于其两性螺旋对松散脂质堆积的识别。

单丝组装展现多级有序性
高分辨HS-AFM揭示：横向排列间距10.7 nm，纵向31.3 nm周期与八聚体长度一致。交叉相关分析显示相邻丝纵向错位角仅21°，形成严格有序阵列。值得注意的是，在天然膜上未观察到体外常见的"铁轨式"双丝配对结构。

离子浓度调控膜结合动态
滴定实验发现septin膜结合存在临界离子强度（~200 mM KCl），提示细胞可能通过离子通道局部调节septin脚手架形成。

自修复与三维堆叠特性
力扰动实验显示，被破坏的丝状结构能在116秒内恢复原取向。更惊人的是，第二层septin丝严格遵循底层模板排列，证实其三维组装编码于分子自身特性。

这项研究首次在近生理条件下系统阐释septin的介观组装规律：膜相分离提供空间指令，分子自组装特性决定多级有序性，而环境因素（如离子强度）可动态调控。该成果不仅为理解细胞分裂环等结构的形成提供新范式，更为设计靶向septin的疗法开辟新思路——例如通过调控膜相变或离子微环境来干预病理过程。技术层面，HS-AFM与天然膜模型的创新结合，为研究其他细胞骨架蛋白的膜作用机制树立了方法论标杆。