Vita｜俞立/王宏伟/刘楠团队揭示新型“跨膜骨架”：四跨膜蛋白TSPAN7的螺旋组装与膜管稳定新机制|俞立|刘楠|王宏伟(1969年)|细胞膜|膜蛋白|螺旋|跨膜骨架

细胞膜表面广泛存在丝状伪足、隧道纳米管、收缩丝等多种管状突起结构。这些结构具有高膜曲率特性，在细胞通讯、迁移、信号转导等生命活动中发挥关键作用。尽管细胞骨架系统稳定膜管机制的研究已较为深入，但跨膜蛋白如何在膜管内有序组装、如何响应机械力并维持膜管完整性，目前仍存在大量研究空白，极大地制约了我们对于细胞膜动态调控机制的理解。

2026年6月9日，清华大学生命科学学院俞立教授、王宏伟教授及香港大学刘楠助理教授团队在Vita期刊在线发表了题为Polymerization of Tetraspanin 7 into Helical Transmembrane Skeletons for Tubular Membrane Stabilization的研究论文。该研究发现，四跨膜蛋白TSPAN7能够感知膜曲率，并在高曲率管状膜上聚合形成螺旋状结构。这一此前未知的跨膜蛋白组装机制，揭示了细胞维持膜管完整性的新原理：TSPAN7螺旋如同一个嵌入脂双层内部的“跨膜骨架”，从膜内为收缩丝、隧道纳米管等提供机械支撑，有效抵抗剪切力诱导的膜管变形与破裂。

TSPAN7感知高曲率，并稳定管状膜结构

细胞表面的膜管突起种类多样，包括收缩丝、隧道纳米管、丝状伪足等。尽管功能各异，它们共同面临的挑战是：如何在极高的膜曲率下保持稳定？研究团队聚焦于 TSPAN7—— 一个与智力障碍、病毒感染、糖尿病和癌症进展密切相关的四跨膜蛋白。

研究发现，在大鼠肾上皮细胞中过表达 TSPAN7 可显着促进收缩丝和隧道纳米管的形成，且 TSPAN7 高度富集于这些膜管结构上。定量分析显示，外源性 TSPAN7 在收缩丝上的富集程度约为细胞胞体的 50 倍；为进一步验证内源性TSPAN7的分布特征，研究者构建了TSPAN7-GFP敲入小鼠，从淋巴结中分离淋巴管内皮细胞（LECs），发现内源性TSPAN7在收缩丝上的富集程度更是达到了惊人的 136倍。（图1a）。通过光镊拉伸膜管实验，研究团队进一步证实 TSPAN7 对高膜曲率具有敏锐的感知能力 —— 膜管曲率增加时， TSPAN7 的富集程度也随之增强。

为探究 TSPAN7 是否直接参与膜管稳定，团队建立了基于巨型单层囊泡（GUV）的最简化体外重构系统。不含蛋白的GUV在亲水表面铺展后，边缘拉出的膜管网络在数分钟内即坍缩为囊泡；而嵌有TSPAN7-GFP的GUV中，TSPAN7迅速富集到膜管上，膜管网络即使在过夜后仍保持稳定（图1b）。由于 TSPAN7 是该体系中唯一的蛋白组分，这一结果直接证明， TSPAN7 单独即可感知并稳定高曲率膜管。

图1. TSPAN7富集在管状膜上，并稳定其结构

TSPAN7在膜管上形成有序螺旋态组装

一个出人意料的现象引起了团队的注意。通常情况下，膜蛋白在脂双层中具有一定的侧向扩散能力。然而，光漂白恢复实验显示， TSPAN7 在收缩丝和隧道纳米管上几乎完全不发生荧光恢复 —— 它被 “ 锁定 ” 在了管状膜上。与此形成鲜明对比的是，同一家族的其他成员（如 TSPAN4 、 TSPAN27 等）在膜管上仍保持较高的流动性。这种异常的不动性暗示， TSPAN7 可能在膜管上形成了某种高级有序结构。

研究团队采用 “ 活细胞成像引导冷冻电镜结构研究 ” 策略，首先通过荧光成像精确定位表达 TSPAN7-GFP 的收缩丝，随后对同一区域进行冷冻电镜成像。结果清晰地揭示：在 TSPAN7 富集的收缩丝上，存在一个规则的右手螺旋结构，由多条原丝纤维缠绕而成，盘踞于膜管之中；而对照的 TSPAN4 收缩丝上则完全不存在这种螺旋结构。进一步分析显示，在靠近细胞胞体的近端区域（膜曲率开始增加处）未见螺旋结构，而在远离细胞的远端区域则可见清晰有序的螺旋排列。这表明，TSPAN7螺旋组装随着收缩丝的延伸而逐渐形成并趋于稳定。

为解析 TSPAN7 螺旋组装的分子基础，研究团队开展了系统的结构生物学研究。由于 TSPAN7 分子量较小且膜结构具有柔性，团队巧妙设计了 TSPAN7 串联二聚体构建体，显着提高了螺旋组装的均一性。结合冷冻电镜单颗粒分析和螺旋重构技术，团队最终获得了高分辨结构模型，揭示了一个精妙的组装机制：在螺旋结构中，多条原丝纤维缠绕形成右手螺旋，嵌入细胞膜内部；在每条原丝纤维内部，TSPAN7分子以“头对头、背靠背”的方式，通过两个关键的相互作用界面发生聚合，这与微管的组装方式极其相似（图2）。

图2. TSPAN7在收缩丝上组装成螺旋形寡聚结构

当研究人员同时突变这两个界面后， TSPAN7 虽然仍能定位到收缩丝上，却完全丧失了形成螺旋结构的能力。光漂白恢复实验显示，双突变体的流动性显着增加；其促进收缩丝形成的能力及在膜管上的富集程度均明显下降。在体外重构体系中，双突变体也无法稳定膜管网络。这些结果证实，所鉴定的两个相互作用界面是 TSPAN7 螺旋组装和膜管稳定功能所必需的。

螺旋骨架帮助膜管抵抗流体剪切力诱导的形变

螺旋骨架究竟为膜管带来了什么？细胞表面的膜管突起时刻面临体液流动、细胞迁移等产生的机械力刺激。剪切力可在脂双层上施加切向力，导致膜管拉长和变窄。那么， TSPAN7 螺旋骨架是否在抵抗这种机械形变中发挥作用？

研究者设计了微流控流道实验：将细胞置于通道中，施加可控的单向剪切流，实时追踪并定量分析细胞表面的膜管在剪切力下的形变。结果呈现出戏剧性的差异：在表达螺旋组装缺陷型TSPAN7双突变体的细胞中，膜管在剪切力作用下被迅速且剧烈地拉长变形；而在表达野生型 TSPAN7 的细胞中，绝大多数膜管仅发生有限形变。荧光强度分布分析进一步揭示：突变体TSPAN7信号沿伸长的膜管迅速衰减，表明膜管发生了极端变窄；野生型TSPAN7则在膜管远端保持强烈的连续信号，表明螺旋骨架的存在有效限制了管壁缩窄（图3）。

图3. TSPAN7跨膜骨架稳定膜管结构

“跨膜骨架”新概念

传统细胞骨架（微管、微丝、中间丝）位于细胞质侧，通过连接蛋白间接作用于细胞膜；而 TSPAN7 螺旋则完全不同：它是一个由跨膜蛋白构成、嵌入脂双层内部的骨架结构。从结构组装上看， TSPAN7 螺旋则与微管具有惊人的相似性 —— 均由基本蛋白单元（二聚体）聚合形成线性原丝，再缠绕成高阶螺旋管状结构；从功能上看，两者都提供结构支撑。然而， TSPAN7 螺旋的工作位置不在膜下，而在膜内，使其成为一类独特的膜骨架结构。因此，研究者将其命名为“跨膜骨架”（transmembrane skeleton）（图4）。这一发现为理解细胞如何在复杂力学环境中维持膜结构完整性提供了新的理论框架。

图4. TSPAN7感应膜曲率，并组装形成跨膜螺旋骨架，稳定细胞膜上的管状结构

总之，该研究通过细胞生物学与结构生物学的有机结合，首次揭示了跨膜蛋白TSPAN7通过螺旋组装形成“跨膜骨架”以稳定高曲率膜管的完整分子机制。研究团队提出，跨膜蛋白的有序聚合可能是细胞构建稳定膜管结构的普遍策略——通过曲率感知实现精准定位，通过有序层级组装提供结构支撑，通过分子间紧密堆积赋予机械稳定性，共同构建出能够抵御外界机械力冲击的动态膜管系统。

清华大学生命科学学院王东锔博士和博士生贾霞为论文的共同第一作者。俞立教授、王宏伟教授及香港大学刘楠助理教授为共同通讯作者。香港大学任佳豪博士，特拉维夫大学 Raviv Dharan 博士，清华大学博士生郑羿、李霄鹏、刘思远，黄铭涛博士、徐魁博士、张起博士、 Sho Takami博士共同参与了本研究。清华大学杨帆博士、张强锋副教授，特拉维夫大学 Raya Sorkin 博士对本研究给予了重要指导。

原文链接：https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.05.0039

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