超分辨率成像技術揭示，神經元中的膜骨架呈現(xiàn)一種周期性結構：肌動蛋白絲在神經突的圓周上形成間距均勻的環(huán)形結構，相鄰環(huán)形通過血影蛋白四聚體相互連接。這一高度有序的網絡結構被稱為膜相關周期性骨架（membrane-associated periodic skeleton，MPS），廣泛存在于不同類型的神經元中且具有跨物種保守性。它在多種神經元功能中發(fā)揮關鍵作用，既可作為信號傳導平臺，又可為軸突提供機械支撐。
關于膜相關周期性骨架（MPS）的一個重要問題是其是否具有動態(tài)性，以及若存在動態(tài)性，這種動態(tài)是否對神經元功能至關重要。細胞骨架結構在穩(wěn)定性與可塑性之間展現(xiàn)出一種有趣的二元性：既要滿足持久功能需求（例如提供機械支撐），又要保持重塑能力以適應細胞不斷變化的需求。
在涉及強烈外部刺激（例如 GPCR 激活、軸突變性過程或突觸活動被激發(fā)）的特定情況下，MPS 可被主動降解。盡管這些觀察表明 MPS 在特殊條件下具備重塑能力，但傳統(tǒng)觀點普遍認為其具有穩(wěn)定結構。
2025 年 8 月 7日，哈佛大學莊小威團隊在國際頂尖學術期刊 Science 上發(fā)表了題為：The membrane skeleton is constitutively remodeled in neurons by calcium signaling 的研究論文。
該研究通過活細胞超分辨率成像技術揭示了膜相關周期性骨架（MPS）的動態(tài)特性--該結構可沿軸突發(fā)生持續(xù)性的解體-重組循環(huán)。機制研究表明，MPS 重塑受鈣離子調控，涉及肌動蛋白穩(wěn)定性調控、鈣蛋白酶依賴性蛋白水解作用，以及蛋白激酶 C 介導的內收蛋白磷酸化過程。這些發(fā)現(xiàn)為理解細胞執(zhí)行基本生命活動的分子機制提供了重要理論依據。
神經元中的膜骨架呈現(xiàn)周期性晶格結構：由內收蛋白（adducin）和原肌球調節(jié)蛋白（tropomodulin）封端的肌動蛋白絲沿神經突形成環(huán)形結構，并通過血影蛋白四聚體（spectrin tetramers）連接。這種膜相關周期性骨架（MPS）對多種神經元功能至關重要。
在這項最新研究中，研究團隊采用活細胞結構光照明顯微鏡（structured illumination microscopy，SIM）探究膜相關周期性骨架（MPS）的動態(tài)特征及其對神經元核心功能的貢獻機制。研究發(fā)現(xiàn)，MPS 普遍存在動態(tài)行為特征：即使外界無刺激條件下，其特定區(qū)域仍會自發(fā)經歷持續(xù)性的解體重組循環(huán)。為解析動態(tài)調控機制，研究團隊通過多維度胞內信號通路研究，最終揭示了 MPS 重塑是由鈣信號激活觸發(fā)的酶促反應級聯(lián)所驅動。
具體而言，鈣離子（Ca2+）內流會激活蛋白激酶C（PKC），引發(fā)肌動蛋白封端蛋白（內收蛋白）的磷酸化，從而降低肌動蛋白環(huán)的穩(wěn)定性并促進 MPS 解體。同時，鈣離子可激活鈣蛋白酶（calpain）介導血影蛋白降解。肌動蛋白聚合調控因子（成蛋白，F(xiàn)ormin）通過取代肌動蛋白環(huán)上的內收蛋白參與動態(tài)調控，進一步促進 MPS 結構解聚。該研究發(fā)現(xiàn)，神經元活動可增強 MPS 動態(tài)性，且功能層面上 MPS 動態(tài)顯著促進軸突內吞作用。這些結果表明，MPS 的存在可能抑制需要膜接觸或形變的細胞活動，因此必須通過臨時性局部解體的方式為這類過程提供空間，同時又不影響其執(zhí)行其他功能的能力。
總的來說，該研究研究揭示了膜相關周期性骨架（MPS）的動態(tài)本質：在看似穩(wěn)定的結構框架下，其持續(xù)經歷著反復的局部分解與重構過程。MPS 動態(tài)特性由鈣信號驅動，通過激活多信號通路協(xié)同作用的級聯(lián)反應實現(xiàn)。這種動態(tài)特性不僅促進內吞作用，還可能支撐其他需膜接觸或形變的生理過程。此外，MPS 動態(tài)還可通過調控膜受體分布來影響膜信號傳導。目前，關于MPS重塑與神經元活動間的互作機制，仍是亟待解決的重要科學問題。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6712
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