EMBO Journal | 缪岩松团队揭示膜—细胞骨架的动态演变：高曲率启动纳米相变小体-原位重塑肌动蛋白

在细胞迁移、内吞，或膜波动是产生试试形态重塑。细胞膜随时间动态弯曲，曲率随时间渐变，低曲率到高曲率。这些弯曲的演变要要收到伴随肌动蛋白（actin）的聚集的伴随产生局部力学协助，完成膜随时间的动态弯曲演变，但这种时空关联在过去更多停留在简单因果关系的概念层面。虽然学界知道 F-BAR蛋白（Bin/Amphiphysin/Rvs proteins）、N-WASP（Neural Wiskott–Aldrich Syndrome Protein）和 Cdc42 与膜形变有关【1-4】，但不同膜曲率（membrane curvature）如何决定并影响这些因子的效应来定点定时的合成肌动蛋白，通过来精密时空调控达到膜与肌动蛋白的实时协调，一直缺乏定量研究的方法来理解底层的机理。业界对肌动蛋白形成的阐述仍然限于教科书上讲到的GTPase结合成核因子并通过打开构象来活化的层面，无法良好的理解时空调控的机理。

近日，新加坡南洋理工大学生物科学学院缪岩松教授团队与加州大学圣地亚哥分校研究团队合作在The EMBO Journal上发表了题为Membrane curvature initiates Cdc42-FBP17-N-WASP clustering and actin nucleation的研究论文。该研究通过光纳米刻蚀（Lithographic Nanofabrication）完成精准膜曲率控制、生化生物物理体外重构（in vitro reconstitution）完成肌动蛋白在动态膜结构上的实时聚合、细胞内在原位曲率诱导（in cellulo generation of membrane curvature）基础上荧光追踪肌动蛋白合成，以及多尺度计算模拟（in silico modeling）等策略，构建了一个从“产生曲率”到“解析曲率”的完整交叉研究体系【5】。研究首先通过纳米刻蚀制作不同宽度的纳米条（nanobar），并在其表面形成支持脂双层（SLB, supported lipid bilayer）。借助这一平台，研究人员能够在体外精确定义膜曲率，直接观察与比较蛋白对不同曲率的响应，为后续机制研究奠定基础。

图1 通过纳米曲率平台结合体外重构、细胞内原位弯曲与计算模拟，系统研究膜曲率对肌动蛋白成核的调控作用。

通过该平台，研究发现 FBP17能够优先富集于高曲率区域成核，这是细胞中早期曲率识别的关键步骤。随后，N-WASP在 FBP17 的基础上形成局部聚集成纳米尺度相变小体，且这种聚集强度不仅依赖蛋白浓度，更与曲率半径密切相关。进一步引入 Cdc42后，研究观察到该因子不仅能强化 N-WASP 的聚集，还能在较低曲率区域提升招募效率，从而扩展曲率响应范围。这一层级机制说明，膜曲率大小并非简单决定蛋白是否到场，而是影响其招募效率和协同行为。

图2 膜曲率通过分层招募 FBP17 与 N-WASP，并在 Cdc42 协同调控下激活 Arp2/3，从而实现曲率门控的肌动蛋白聚合。

为了验证这一机制是否真实存在于细胞内部，研究团队在细胞中通过纳米曲率平台实现原位膜曲率的诱导，并观察肌动蛋白成核因子的分布。结果显示，体外曲率敏感性在细胞内同样成立，进一步支持了曲率在细胞环境中调控肌动蛋白成核的生物学意义。而计算模型的模拟结果则在定量层面验证了曲率、FBP17、N-WASP 与 Cdc42 之间的协同关系，形成了从实验到理论的闭环。

通过这一系列跨尺度验证，研究提出膜曲率作为一种物理线索，能够调控成核因子层级招募(hierarchical recruitment)，长生局部相变纳米尺度小体，最终形成局部肌动蛋白成核热点（nucleation hotspot）。这一研究在业界公认的基于GTPase的全局活化肌动蛋白的机理上，提供了如何在局部产生激动蛋白的网络，实时配合细胞磷脂双分子层膜的动态演变，从而完成包含复杂膜拓扑变化的细胞动态形变。此研究提供了对研究膜-细胞骨架提供了新的研究路径与理论基础，对深度探索迁移、内吞和膜重塑等过程具有提供理论基础。

新加坡南洋理工大学生物科学学院（School of Biological Sciences, SBS）缪岩松教授为论文通讯作者，本研究的共同通讯作者还包括美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego, UCSD）的Padmini Rangamani教授，以及新加坡南洋理工大学化学、化学工程与生物技术学院（School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, CCEB）的赵文婷教授。博士后朱可欣为第一作者。博士后Aravind Chandrasekaran以及在读博士研究生郭相孚为共同第一作者；博士后苗馨文参与该研究。该研究得到了新加坡教育部、国立研究基金会、新加坡卫生部以及高精尖研究中心 IDMxS 的支持。

参考文献：

1.Lou, H.-Y. et al. Membrane curvature underlies actin reorganization in response to nanoscale surface topography. Proceedings of the National Academy of Sciences116, 23143-23151, doi:10.1073/pnas.1910166116 (2019).

2.Gallop, J. L. & McMahon, H. T. BAR domains and membrane curvature: bringing your curves to the BAR. Biochem Soc Symp, 223-231, doi:10.1042/bss0720223 (2005).

3.Su, M. et al. Comparative Study of Curvature Sensing Mediated by F-BAR and an Intrinsically Disordered Region of FBP17. iScience23, 101712, doi:10.1016/j.isci.2020.101712 (2020).

4.Takano, K., Toyooka, K. & Suetsugu, S. EFC/F-BAR proteins and the N-WASP–WIP complex induce membrane curvature-dependent actin polymerization. The EMBO Journal27, 2817-2828, doi:10.1038/emboj.2008.216 (2008).

5.Zhu, K. et al. Membrane curvature initiates Cdc42-FBP17-N-WASP clustering and actin nucleation. The EMBO Journal, doi:10.1038/s44318-025-00677-w (2026).

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s44318-025-00677-w