Cell | 你所不知道的红细胞：红细胞膜骨架的结构基础

Journal Club

 汇聚思想，点燃新识

Journal Club 凝聚了一批热爱科学、享受科学、传播科学的探索者和发现者。他们志同道合，他们青春飞扬，他们与科学共舞。在这里，你可以收获最新、最真的行业资讯和来自科研一线的文献解读。你关心的就是我们要说的，我们将用最质朴、最客观的文字书写有深度、有温度的科学。Journal Club，与你畅游Journal世界，和你共享科学蔚蓝。

基于spectrin的膜骨架是位于细胞膜下方、与细胞膜平行的丝状网络结构，其存在为细胞膜提供了有效的支撑，同时在介导细胞膜和细胞骨架的交流之间发挥重要作用¹。膜骨架的形成除了spectrin之外，还需要actin的参与，二者形成spectrin-action连接复合物 (junctional complex)。在红细胞中，该复合物的形成需要多种F-actin结合因子参与，其中包括tropomyosin (TM)、tropomodulin (Tmod) 以及adducin、protein 4.1 (P4.1) 和dematin等连接特异性蛋白 (junctional specific protein)²，这些因子的共同作用增强了连接复合物的稳定性以及actin与spectrin之间的相互作用 (图1)。临床上，膜骨架成分的突变与多种遗传性红细胞膜疾病存在较强的相关性³，但是相关的复合物结构仍处于缺失状态，使得人们对膜骨架蛋白的理解受到限制。

图1. 基于spectrin-actin的红细胞膜骨架模式图及电镜图像⁴

2023年4月11日，来自北京大学的高宁教授和李宁宁副研究员共同通讯，在Cell上在线发表了一篇题为Structural basis of membrane skeleton organization in red blood cells的科研论文，文章报道了猪红细胞中天然的spectrin-actin连接复合物的冷冻电镜结构，在增进了对膜骨架的组装和动力学理解的同时，也为广泛存在的F-actin结合因子在其他F-actin系统中的作用机制提供了更深一步的见解。

本文解析的spectrin-actin连接复合物 (后文简称复合物) 从猪 (Sus scrofa domestica) 红细胞膜中分离得到。通过对冷冻样品的优化，研究者最终得到了分散良好的复合物样品用于冷冻数据采集及后续结构分析，复合物整体分辨率约为3.3 Å。依据其中actin亚基的数目，复合物可分为两种构象状态 (state I：含12个actin亚基，图2,E-G；state II：含11个actin亚基，图2,I-K)。

图2. 连接复合物整体结构及两种构象状态

复合物主体由6层 (L1-L6) F-actin组成，长约42 nm，结合有多个F-actin结合蛋白 (F-actin-binding protein) 和帽蛋白 (capping protein)。在L2到L5层间，相邻层间有8个β-spectrin亚基 (Sp1-Sp8) 的CH1 (calponin homology) 结构域，此外，中间层还有3个dematin，与actin和spectrin-CH1紧密结合。复合物的刺端 (barbed end) 由两个α-adducin (Addα1和Addα) 和两个β-adducin (Addβ1和Addβ2) 亚基组成的四聚体覆盖。在复合物的尖端 (pointed end)，除Tmod外，研究者还发现了一个此前未知的因子SH3BGRL2，该因子插入到了Act1和Act2之间的界面 (图2)。

Tmod含有2个actin结合位点 (actin-binding site, ABS) 和2个原肌球蛋白结合位点 (tropomyosin-binding site, TMBS)，分别称为ABS1/2以及TMBS1/2。结构分析表明，ABS1与Akt1的1/2/4亚结构域相互作用，而ABS2含有LRR (leucine-rich repeat) 结构域的C端则与Act1、Act2和Act3的界面相互接触。TMBS1形成含α螺旋的发夹结构，位于TMCC1的末端，TMBS2除了具备与TMBS1相似的发夹结构外，还具备一个额外的α螺旋来桥接TMCC2的N端以及Act2的亚结构域3/4 (图3)。

SH3BGRL2是一种在红细胞分化过程中高表达的蛋白⁵，其虽被鉴定为连接复合物的组分之一，但其功能始终不清楚。在本文的结构中，研究者发现SH3BGRL2嵌入Act1/2界面，与actin紧密互作，同时与Tmod的ABS1/ABS2形成弱相互作用 (图3)。在结构上，Tmod和SH3BGRL2形成的空间位阻完全阻止了actin的进一步聚合。

图3. Tmod和SH3BGRL2位于尖端的末端

Dematin由C末端头部 (heapeace, HP) 结构域和内在无序的核心结构域组成，过去的研究报道这两个结构域都能与F-actin相互作用⁶。在本文结构中，HP结构域和组成核心结构域的两个区段 (SAB1/2基序, spectrin- and actin- binding motif) 均与F-actin稳定结合。在复合物的密度图中，研究者共观察到了7个HP结构域，这些HP结构域点缀在相邻actin束之间等间距的部位，与一束上一个actin的亚结构域4以及另一束一个actin的亚结构域1直接相互作用 (图4)。Dematin、actin、spectrin和TMCC之间形成复杂的相互作用网络，在维持红细胞膜稳定性方面发挥重要作用。

图4. Dematin在复合物中的结合模式

在复合物的刺端，可见4个adducin亚基形成α-β-α-β异源四聚体。通常，依据对蛋白酶的敏感性，adducin亚基可被分为3个结构域：N端头部结构域 (head domain)、颈部结构域 (neck domain) 和C端尾部结构域 (tail domain)⁷。在本文中，依据结构特征，研究者建议对adducin亚基进行更有意义的结构域划分：N端延伸区域 (N-terminal extension, NTE)、中央核心结构域 (core domain) 和C端延伸区域 (C-terminal extension, CTE)。Adducin异源四聚体中4个核心结构域的结构高度相似。在State I中，两个NTM分别与Act11和Act12结合，而在State II中，由于Act12的缺乏，最下层只有一个NTM存在。在State I和State II中，两个CTM结合actin的位置与NTM相似 (图5)。除了调节复合物的组装外，adducin还能对spectrin和dematin的化学计量比进行调节，这一事件的发生主要通过阻止spectrin和dematin结合到L5/L6界面以及与spectrin7/8-CH1相互作用促进spectrin结合到L4/L5界面进行。

图5. Adducin四聚体结构及其与刺端的相互作用

α-和β-spectrin均含有串联的SR (spectrin repeat) 区域，每个SR都由3个α-螺旋 (分别称为螺旋A、B和C) 形成的无规则卷曲组成。β-spectrin的N端包含2个额外的CH结构域（CH1和CH2），而α-spectrin则包含2个C端EF-hand基序（EF1-2和EF3-4）。通过SR-SR之间的相互作用，1个α-spectrin和1个β-spectrin反向平行形成二聚体， spectrin纤维得以组装形成。在本文State I和State II的结构中，αβ纤维的结构整体上都是无规则的，但通过三维分类，研究者发现state I中F-actin的刺端存在纤维状的密度，该纤维起源于Sp7、β-spectrin的CH2、α-spectrin的EF1-2/EF3-4基序以及前5个SR二聚体。该结构揭示了actin末端α-和β-spectrin二聚化的机制，临床上，2个与球形红细胞增多症相关的spectrin突变也位于这个二聚化界面上。

图6. Spectrin αβ纤维的组装

红细胞连接复合物中存在两种的tropomyosin (TM) 亚型，分别称为TM1.9和TM3.1，二者均含248个氨基酸残基，形成6个假周期性重复。此前研究报道TM能够增强F-actin的强度，并调节后者与其他结合因子之间的相互作用。在本文结构中， TM螺旋的侧链密度得到较好的解析，TMCC在复合物中的寡聚状态被确定，其中，TMCC1是TM1.9和TM3.1的异源二聚体，而TMCC2可以以TM1.9和TM3.1的异源二聚体或TM3.1的同源二聚体两种形式存在。两个TMCC的附着几乎完全由spectrin、dematin、Tmod和adducin等肌动蛋白结合因子介导 (图7)。

图7. TMCC在复合物中的位置

综上，本文通过解析猪红细胞spectrin-actin连接复合物的冷冻电镜结构，为理解膜骨架的组装机理及模式提供了重要的信息。同时，本文所采用的方法学对天然蛋白或复合物的纯化具备较高的借鉴价值。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.017

参考文献

参考文献

1. Machnicka, B., Grochowalska, R., Bogus1awska, D.M., Sikorski, A.F., and Lecomte, M.C. (2012). Spectrin-based skeleton as an actor in cell signaling. Cell. Mol. Life Sci. 69, 191–201.

2. Bennett, V. (1989). The spectrin-actin junction of erythrocyte membrane skeletons. Biochim. Biophys. Acta 988, 107–121.

3. An, X., and Mohandas, N. (2008). Disorders of red cell membrane. Br. J. Haematol. 141, 367–375.

4. Fulin, X., Fen, H., Jianyu, Y., Leiting, P., Jingjun, X. (2018). Structural and functional studies of erythrocyte membrane-skeleton by single-cell and single-molecule techniques. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 12. 10.1142/S1793545818300045.

5. De Andrade, T., Moreira, L., Duarte, A., Lanaro, C., De Albuquerque, D., Saad, S., and Costa, F. (2010). Expression of new red cell-related genes in erythroid differentiation. Biochem. Genet. 48, 164–171.

6. Azim, A.C., Knoll, J.H., Beggs, A.H., and Chishti, A.H. (1995). Isoform cloning, actin binding, and chromosomal localization of human erythroid dematin, a member of the villin superfamily. J. Biol. Chem. 270, 17407– 17413.

7. Joshi, R., Gilligan, D.M., Otto, E., McLaughlin, T., and Bennett, V. (1991). Primary structure and domain organization of human alpha and beta adducin. J. Cell Biol. 115, 665–675.

供稿 | 王彤彤

审稿 | 丛野

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

精彩回顾

精彩回顾

点击上方卡片

关注我们吧

THE END

我知道你“在看”哟