生命科学学院高宁/郭强团队合作解析SPFH家族蛋白Flotillin在细胞质膜上组织功能性膜微域的分子机制
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细胞膜在组成上具有异质性，其通过脂质与蛋白质的不均匀分布，形成了纳米尺度的功能性膜微域（functional membrane microdomains，FMMs）。这些功能性膜微域作为动态平台，协调细胞膜分子层内部、细胞膜与内外环境之间多种分子的相互作用（Nicolson and Ferreira de Mattos 2023）。在哺乳动物中，Flotillin-1和Flotillin-2是定位在功能性膜微域中的两种高度同源蛋白，它们属于SPFH（Stomatin、Prohibitin、Flotillin、HflK/C）蛋白家族，广泛参与多种细胞过程，如内吞作用、细胞信号传导、蛋白质分选以及细胞骨架重塑等（Kwiatkowska, Matveichuk et al. 2020, Singh, Elhabashy et al. 2022）。然而长期以来，Flotillin蛋白如何通过寡聚化实现其功能，以及它们组织功能性膜微域的具体分子机制等重要的膜生物物理问题还一直没有答案。
2026年2月9日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、膜生物学全国重点实验室高宁教授团队与郭强研究员团队合作在Nature Communications上发表题为“Molecular mechanisms of flotillin complexes in organizing membrane microdomains”的研究论文。高宁课题组近年来聚焦SPFH家族蛋白的结构与功能研究，2022年首次报道SPFH的原核成员HflK/C及其调控的AAA+蛋白酶FtsH复合物的结构，揭示了HflK/C组织膜微域调节细菌膜蛋白稳态的分子机制（Ma, Wang et al. 2022），近期相继报道了其真核家族成员Stomatin（Yan, Zhou et al. 2025）、Prohibitin（Luo, Zheng et al. 2025）及 Erlin（Yan, Xu et al. 2025）等的复合物组装形式、功能及调控机制。在本研究中，团队通过解析人类Flotillin复合物的高分辨率冷冻电镜结构，并结合原位冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术，阐明了Flotillin复合物在细胞质膜上组织膜微域以及实现相关蛋白空间区隔的分子基础。
结果显示，Flotillin-1与Flotillin-2以交替方式组装，形成一个由44个亚基（22个Flotillin-1与22个Flotillin-2）所构成的穹顶状异源寡聚体。该复合物附着于细胞质膜的内叶，在膜表面圈定出一个直径约30纳米的圆形区域（图1）。从侧视图观察，复合物可分为底座、侧壁和顶部三个部分：其中底座包含SPFH结构域，嵌入膜中；而超长的卷曲螺旋（CC1）结构域则呈平行排列，构成一层封闭的单层侧壁；顶部区域则由另一段卷曲螺旋（CC2）以及Flotillin-1和Flotillin-2的C末端结构域共同构成封顶结构。这一闭合的穹顶状结构在细胞膜上以及近膜空间中营造了一个物理隔离的微环境。
图1. Flotillin复合物的整体结构
进一步，本研究还揭示了Flotillin复合物组装的潜在动态调控机制。Flotillin-1的Y160和Flotillin-2的Y163是已知的磷酸化位点（Riento, Frick et al. 2009），结构分析表明这两个保守的残基对维持复合物疏水核心至关重要。模拟磷酸化的点突变可破坏复合物的形成，表明这两个酪氨酸残基的磷酸化修饰可能充当一种“分子开关”，动态调控Flotillin复合物的组装/解组装，并进而影响内吞等下游生物学过程。
为了探究该组装体在细胞环境中的状态，研究人员结合荧光显微镜与cryo-ET技术，在Jurkat T细胞样本中对Flotillin复合物进行了原位观察。原位分析结果证实了其穹顶状结构，并揭示了Flotillin复合物在细胞中具有结构可塑性（图2）。这种穹顶结构能够动态地打开或封闭，其动态组装的特性可能为Flotillin复合物调节相关蛋白的空间区隔及其生物学功能提供了结构基础。此外，单个Flotillin复合物可作为膜微域的基本组织单元，通过进一步在膜上聚集而形成尺度超过200纳米的功能性膜微域平台。
图2. 利用cryo-ET技术解析细胞内Flotillin复合物的原位结构
此外，在与细胞膜脂质的相互作用方面，本研究发现Flotillin复合物具有区别于传统脂筏的膜脂偏好性。GPMV（巨型质膜囊泡）分相实验显示，Flotillin复合物主要富集于液态无序相（liquid-disordered phase, Ld phase）（图3a）。进一步通过脂质质谱分析纯化的Flotillin复合物发现，其相关膜微域中富集了鞘氨醇（sphingosine, SPH），而胆固醇（cholesterol, CH）等典型脂筏相关脂质则未见显著富集（图3b）。这些结果共同表明，由Flotillin复合物组织形成的膜微域具有与传统脂筏不同的独特脂质组成偏好。
图3. Flotillin复合物的膜脂偏好性
总体而言，本研究通过高分辨体外结构解析与原位结构分析，揭示了Flotillin复合物作为结构单元在膜上实现空间区室化的机制。这一发现不仅阐明了Flotillin介导膜微域形成的分子基础，还提出了其在隔离膜蛋白方面的潜在功能，为进一步揭示其在多种生物学过程中的调控机制开辟了新方向。
高宁与郭强为该论文的共同通讯作者。北京大学生命科学学院陆明傲博士为本文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、科技部、北京自然科学基金、膜生物学全国重点实验室、核糖核酸北京研究中心、北大-清华生命科学联合中心的支持，并获得了北京大学冷冻电镜平台、高性能计算平台，生命科学学院电镜平台、成像平台及凤凰平台等的协助。
参考文献：
1. Kwiatkowska, K., O. V. Matveichuk, J. Fronk and A. Ciesielska (2020). Flotillins: At the Intersection of Protein S-Palmitoylation and Lipid-Mediated Signaling. Int J Mol Sci 21(7).
2. Luo, D., L. Zheng, M.-A. Lu, Z. Chen, P. Wang, Q. Guo and N. Gao (2025). Structural basis for prohibitin-mediated regulation of mitochondrial-AAA protease. bioRxiv: 2025.2004.2015.648916.
3. Ma, C., C. Wang, D. Luo, L. Yan, W. Yang, N. Li and N. Gao (2022). Structural insights into the membrane microdomain organization by SPFH family proteins. Cell Research 32(2): 176—189.
4. Nicolson, G. L. and G. Ferreira de Mattos (2023). The Fluid-Mosaic model of cell membranes: A brief introduction, historical features, some general principles, and its adaptation to current information. Biochim Biophys Acta Biomembr 1865(4): 184135.
5. Riento, K., M. Frick, I. Schafer and B. J. Nichols (2009). Endocytosis of flotillin-1 and flotillin-2 is regulated by Fyn kinase. J Cell Sci 122(Pt 7): 912—918.
6. Singh, J., H. Elhabashy, P. Muthukottiappan, M. Stepath, M. Eisenacher, O. Kohlbacher, V. Gieselmann and D. Winter (2022). Cross-linking of the endolysosomal system reveals potential flotillin structures and cargo. Nat Commun 13(1): 6212.
7. Yan, L., Z. Xu, Y. Yao, X. Wang, Y. Wang, C. Ma, N. Li, X. Chen and N. Gao (2025). Cryo-EM Structure of the Erlin1/2 Complex Reveals a Dynamic Scaffold for Membrane Protein Sequestration and Microdomain Assembly. bioRxiv: 2025.2006.2014.659634.
8. Yan, L., X. Zhou, M. Li, C. Wang, B. Xiao, P. Xi, P. Zou and N. Gao (2025). Structural Role of Stomatin in Organizing Functional Membrane Microdomains. bioRxiv: 2025.2008.2030.673307.
本文链接：http://knowith.com/news-3-5503.html生命科学学院高宁/郭强团队合作解析SPFH家族蛋白Flotillin在细胞质膜上组织功能性膜微域的分子机制
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