光控Gb3异构化调控相分离膜中志贺毒素组织的动态机制研究

研究人员通过合成光敏Gb3糖脂（photo-Gb3），构建相分离的跨孔膜（PSMs）模型，利用紫外光诱导trans-to-cis异构化，发现该过程可动态形成液态无序相（ld）微区并改变志贺毒素B亚基（STxB）的空间分布，为理解病原体入侵的膜重组机制提供了新工具。成果发表于《Biophysical Journal》。

　　

在细胞生物学领域，病原体如何通过膜受体介导入侵始终是重要课题。志贺毒素（Shiga toxin）作为典型的AB₅型毒素，其B亚基（STxB）与糖鞘脂Gb₃的结合是触发内吞的关键第一步。有趣的是，Gb₃的脂肪酸链构象（饱和vs.不饱和）会显著影响STxB的膜组织模式——饱和链促进刚性簇形成而不引发膜内陷，不饱和链则诱导蛋白动态重组并引发膜弯曲。这一现象暗示了脂质几何特性对病原体入侵的调控潜力，但如何实时操控脂质构象以观察动态过程仍是技术难点。

德国马克斯·普朗克动力学与自组织研究所（Max-Planck-Institute for Dynamics and Self-Organization）的Larissa Socrier团队创新性地将光敏技术引入这一领域。他们合成了一种带有偶氮苯基团的Gb₃衍生物（photo-Gb₃），其脂肪酸链可通过紫外/蓝光照射在trans（类饱和链）和cis（类不饱和链）构型间可逆切换。为克服传统支撑脂双层（SLBs）流动性受限的缺陷，研究人员选用相分离的跨孔膜（PSMs）体系——这种由游离膜区域（f-PSMs）和支撑区域（s-PSMs）组成的混合模型，既能模拟天然膜的双相分离特性，又保留了l_o/l_d相的动态重组能力。

研究主要采用三项关键技术：1）电形成法制备含photo-Gb₃的巨型单层囊泡（GUVs）；2）二氧化硅修饰多孔基底构建PSMs，通过水溶性染料钙黄绿素（calcein）滞留验证膜完整性；3）共聚焦显微镜（CLSM）实时追踪光诱导的膜相变与STxB-Cy3荧光分布，结合Python算法定量分析l_d微区扩散系数。

光控膜相行为
紫外照射触发trans-to-cis异构化后，f-PSMs中原先均匀的l_o相中瞬时出现直径<400 nm的l_d微区（l_d-lakes），其平均扩散系数达0.014±0.009 μm²/s，对应膜表面粘度12-21×10^-8 Pa·s·m，证实这些微区在l_o相基质中保持高流动性。约50%的f-PSMs在光照60秒后出现微区，但10分钟内70%微区自发消失，表明cis型photo-Gb₃会通过膜侧向扩散与s-PSMs的l_d相重新平衡。

STxB组织重构
未光照时，STxB均匀分布于含trans型photo-Gb₃的f-PSMs（模拟饱和Gb₃行为）。紫外诱导构象转换后，STxB分布转为动态密度波动——高密度蛋白区域与低密度区交替出现，且这种异质性在蓝光逆转构型后仍持续存在。值得注意的是，蛋白波动与l_d-lakes的时空分布无直接耦合，暗示cis型photo-Gb₃可能通过改变l_o相局部力学性质（如增加脂质分子截面积）而非单纯相分离驱动蛋白重组。

这项研究首次实现了对Gb₃几何构象的时空精确操控，揭示了脂质-毒素互作的动态本质。不同于传统SLBs中观察到的固定蛋白簇，PSMs体系捕捉到STxB在膜张力作用下的动态波动，这为解释为何志贺毒素能克服l_o相的高弯曲刚度形成内陷提供了新视角——瞬态脂质几何变化可能通过局部压缩膜面积（如Watkins等提出的"脂质压缩"机制）促进膜变形。技术层面，photo-Gb₃与PSMs的组合为研究其他脂质依赖的病原体入侵机制提供了普适性平台，而开发的微区追踪算法亦可拓展至膜筏动力学研究。未来或可通过调控光照模式模拟生理性脂质波动，进一步揭示膜物理性质与病原体内吞的定量关系。