摘要：细胞周围环境中的机械力信号通过机械力转导 （mechanotransduction） 转化为生化信号，从而调控细胞迁移、增殖、分化等一系列重要生物学过程。肌动蛋白丝 （F-actin） 是细胞产生、承受和传导机械力的核心分子。为了支持细胞在微米尺度上执行各种功

细胞周围环境中的机械力信号通过机械力转导 （mechanotransduction） 转化为生化信号，从而调控细胞迁移、增殖、分化等一系列重要生物学过程。肌动蛋白丝 （F-actin） 是细胞产生、承受和传导机械力的核心分子。为了支持细胞在微米尺度上执行各种功能，纳米级的F-actin通过各种交联蛋白交联成微米级的高阶网络结构 （Higher-order assembly） ，以形成形态和功能各异的亚细胞结构来产生和响应不同大小的机械力。

丝状伪足 （filopodia） 是迁移细胞前端的指状膜突起，负责迅速感知周围的物理和生化环境，并指导细胞的迁移方向。它在细胞迁移和神经细胞发育过程中发挥着极其重要的功能。filopodia的核心结构是由fascin交联蛋白交联形成的F-actin正六边形阵列 (hexagonal array) 。在该阵列中，F-actin极性相同且平行排列，相邻F-actin间距相等， fascin位于每一对平行F-actin之间（图1A,1B）。尽管正六边形阵列具有对称性，但它有大小限制，通常仅包含约20至30条F-actin。这一特性既赋予filopodia足够的机械强度以抵抗细胞膜的压力又使其保持很高的柔韧性以快速扫描周围的环境。这一阵列长期以来作为F-actin高阶网络组装机制研究的模式系统。然而由于其独特的结构特征，尽管经过几十年的理论和实验研究，关于其组装机制及结构与功能的关系仍不明确。

2025年1月20日，美国洛克菲勒大学Gregory M. Alushin和龚睿团队在Nature Structural & Molecular Biology上发表了文章Fascin structural plasticity mediates flexible actin bundle construction，研究人员综合运用单颗粒冷冻电镜、电子断层扫描以及神经网络学习等技术，在多尺度上阐明了fascin如何将F-actin交联成有限大小的正六边形阵列的分子机制。

首先，研究人员运用神经网络学习方法从复杂正六边形阵列中高效地提取单颗粒信息，并解析了fascin交联一对平行F-actin的高分辨率结构。这是首个交联蛋白与F-actin交联的高分辨率结构。在该结构中，fascin分子呈紧凑的菱形形状，其中一对平行面与两个平行的F-actin交联，构成了fascin交联平行F-actin的分子基础（图1C）。

图1. （A，B）Fascin交联F-actin的正六边形阵列示意图。(C, D) Fascin交联两根平行F-actin的高分辨率结构以及fascin的两种不同的交联取向。（E)一个正六边形单元的亚纳米级分辨率结构。

紧接着研究人员解析了一个正六边形单元的亚纳米级分辨率结构（图1D）。研究人员发现，在平行排列的任意一列F-actin中，fascin可以通过两种不同的取向交联F-actin, 这两种取向呈180度旋转对称（图1C）。这好比一个人手扶两根平行的旗杆子，在杆子固定的情况下，此人既可以正面也可以背面站立。此外，研究人员发现fascin具有纳米尺度的柔韧性，能够支持相邻F-actin之间的平行摆动（图2）。这种构象柔韧性解释了Fascin如何克服几何障碍，将F-actin交联成六边形阵列的分子机制。

图2. fascin利用纳米尺度级的柔韧性支持相邻F-actin之间的平行摆动。

为了进一步阐明fascin如何控制六边形阵列的大小，研究人员使用电子断层扫描技术获取阵列中每一个fascin分子和G-actin亚基的纳米级分辨率信息。然而，传统技术方法难以从低信躁比的电子断层扫描图像中提取这些细节。为此，研究人员开发了一种基于神经网络学习的三维图像降躁技术，成功地从低信躁比、低分辨率的tomogram中准确提取了阵列中每个fascin分子与F-actin交联的细节信息（图3A）。基于这些信息，研究人员确定了每个fascin分子的构象状态（图3B）。通过分析这些构象状态，研究人员发现在正六边形单元中，由于几何学上的限制，当某些交联位置的fascin处于低能量状态时，其他位置的fascin必然处于高能量状态。随着阵列大小的增加，高能量构象的fascin分子也会逐渐积累，最终导致阵列的坍塌，从而限制阵列的进一步增长（图3C）。

图3. Fascin控制正六边形阵列大小的分子机制。（A)基于cryo-ET以及神经网络学习解析的纳米级分辨率F-actin正六边形阵列的结构。(B)正六边形阵列中fascin的构象分布。（C)Fascin将F-actin交联成正六边形阵列并控制其大小的分子机制示意图。

综上所述，该研究揭示了fascin如何通过纳米尺度的动态构象变化将F-actin交联成微米级的正六边形阵列，并调控其大小的分子机制。Fascin在多数实体瘤中高表达，促进丝状伪足的形成进而帮助癌细胞迁移。Fascin小分子抑制剂G2通过抑制fascin的交联活性进而抑制癌细胞的迁移。目前该抑制剂已进入临床三期实验，用于妇科癌症的治疗。该高分率结构信息为开发更高效或全新的抑制剂提供了结构基础，具有潜在的临床应用价值。

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来源：老田的科学大讲堂