光控肌动蛋白网络组装揭示肌动蛋白结合蛋白功能受网络密度调控的分子机制

研究人员开发了名为OptoVCA的光遗传学系统，通过在脂质双层上精确调控Arp2/3复合物介导的肌动蛋白网络组装，揭示了网络密度如何差异调控肌动蛋白结合蛋白（ABPs）如肌球蛋白II和ADF/cofilin的渗透与功能，为理解细胞力学提供了新工具和机制见解。

　　

细胞形态变化和运动依赖于肌动蛋白（actin）细胞骨架的动态重组。肌动蛋白网络通过形成分支状结构（如片状伪足和收缩环）驱动细胞变形，其力学特性由网络密度和肌动蛋白结合蛋白（ABPs）共同决定。然而，网络密度如何影响蛋白质渗透和功能仍不清楚。传统细胞实验因网络复杂性和动态性难以解析这一问题，而现有体外重构技术缺乏时空控制能力。

为解决这些难题，Kei Yamamoto和Makito Miyazaki团队在《Nature Communications》发表了光遗传学工具OptoVCA，通过光控诱导Arp2/3复合物介导的肌动蛋白在脂质膜上组装。该系统通过调节光照强度、时长和模式，可灵活操控肌动蛋白网络的密度、厚度和三维形态。利用这一技术，研究人员发现：1）网络密度轻微增加即可通过空间位阻严格抑制肌球蛋白丝渗透；2）渗透的肌球蛋白能在密度梯度网络中产生定向流动；3）ADF/cofilin（以下简称cofilin）虽能进入任何密度的网络，但其介导的解组装效率随密度升高显著降低。这些发现揭示了网络密度差异调控ABPs功能的普适机制。

关键技术包括：1）构建基于iLID-SspB光诱导二聚化的OptoVCA系统；2）在支持性脂质双层（SLB）上实现时空精确控制的肌动蛋白聚合；3）通过荧光标记和高速成像定量分析蛋白渗透与网络动力学；4）采用梯度光照构建密度异质性网络。

光控肌动蛋白网络组装

通过将WAVE1的VCA结构域与光敏蛋白SspB融合，实现蓝光诱导的膜定位和Arp2/3复合物激活。在MDCK细胞中，OptoVCA可逆地增厚皮质肌动蛋白层；在体外SLB体系中，光照强度与网络密度呈正相关（图2,4）。三维重构显示网络可形成杯状或穹顶状结构（图2f），且生长动态受局部蛋白消耗效应调控（图4d）。

肌球蛋白渗透的密度依赖性

在稀疏网络中（肌动蛋白间距约160 nm），肌球蛋白丝能有效渗透并驱动网络变形形成收缩簇（图5a-d）；而在致密网络中（间距110 nm），肌球蛋白被严格限制在网络表面（图5a）。密度梯度实验表明，肌球蛋白驱动的定向流动始终朝向高密度区域（图5g-k），证实网络连通性和密度梯度是流动方向的决定因素。

cofilin功能的密度调控

尽管cofilin（直径3.5 nm）能渗透所有密度的网络，但其解组装效率与密度平方成反比（图6c）。致密网络中，cofilin介导的肌动蛋白解组装速率显著降低，使网络能长时间维持形状（图6g-h）。这种抗性可能与网络缠结程度或ADP-肌动蛋白构象受限有关。

该研究通过创新性光控技术，首次在体外重现了肌动蛋白网络的密度梯度及其力学效应，阐明ABPs功能受网络密度差异调控的分子机制。OptoVCA为研究细胞力学、细胞器分布和病理状态下细胞骨架异常提供了通用平台，其设计思路可拓展至其他细胞骨架重构研究。未来通过整合更多NPFs（如WASP）和交联蛋白，将能构建更接近生理状态的网络模型。