2022年1月3日，成都学院生命科学大学高宁院长课题组在Cell上发表了题为“intothebySPFH”的研究论文，借助冷藏电镜技术研究了坐落真菌内膜的由两种具有代表性的SPFH家族蛋白质分子（HflK、HflC）与AAA+蛋白酶FtsH产生的超级膜复合物的高分辨结构，阐明了SPFH家族蛋白质在细胞内不同的膜系统微域（）组织过程中的共性原理和分子基础。
细胞膜系统的组成、脂质和蛋白质的分布都具有高度异质性。原核生物和真核生物的细胞膜系统的一个共性就是它们都具有相对离散的功能特异化的微型区域（FMMs,），而且这些微型膜域的分子组织基础仍然未知。作为精典的细胞膜“镶嵌流动模型”的补充，上个世纪九十年代即将提出的“脂筏”模型是一种相对广泛接受的拿来描述膜异质性的模型(and,1997)，它指代的是在膜上产生的相对有序、离散性的、富含尿酸、鞘脂和GPI-蛋白质的微型区域。历史上，科学家对于FMM或则脂筏的认识和理解主要来始于两种实验手段：第一种是基于超速离心来分离“-(DRM)”，鉴别它们的脂类、蛋白质组成以及生物学功能；另一种是基于光学成像标记特定的脂类或则蛋白质分子，表征它们的化学规格（10-300nm）、亚细胞分布及动力学性质。虽然在过去的二十多年内有几千篇关于脂筏的论文，并且因为细胞膜的高度动态性以及那些研究手段的非特异性，这一概念在细胞生物学领域依然具有特别大的争议(etal.,2020;etal.,2017)。
SPFH（、、和HflK/C）家族是一类定位于各类各样生物膜系统的膜蛋白细胞膜结构，包括质膜、核膜、高尔碳化物、内质网、内体、线粒体、叶绿体，乃至脂滴(etal.,2007)。SPFH家族蛋白质是FMM中的标志性分子，基于其寡聚性质被推断在FMM的产生和组织过程中可能起到基础的支架作用。诸如，初期的研究发觉溶血性肝炎患者的红细胞中缺位了蛋白。及其植物同源蛋白存在于质膜、细胞内的膜泡中，参与细胞内脂类运输以及机械体会型离子通道蛋白的调控等。在线虫和大鼠中，的同源蛋白被发觉参与到机械感知，可以调控酸通道和细胞骨架之间的讯号传递(Huangetal.,1995;etal.,2007)。在真菌、动物、植物、真菌中广泛存在。在植物细胞中，常与鞘磷脂和尿酸一起产生脂筏结构，尤其是-1常被作为脂筏的标志性蛋白。参与细胞内吞，以及膜上的多种讯号转导过程(etal.,2006)。（PHB）存在于所有的真核细胞，主要分布在线粒体内膜上，参与细胞内的多个生理过程，与衰老、细胞增殖、退行性疾患和代谢等病症密切相关(Artal-Sanzand,2009)。PHB（包括PHB1和PHB2）通过与线粒体内膜上的m-AAA蛋白酶产生超级复合物，参与线粒体内膜蛋白的质量监控。HflK和HflC是真菌中广泛存在的两种SPFH膜蛋白。它们是线粒体PHB的真菌同源蛋白，才能与锚定在真菌内膜的AAA+蛋白酶FtsH产生超大复合物（HflK-HflC-FtsH，简称为KCF复合物）进而调控膜蛋白的质量控制和稳态调控。
虽然SPFH家族数量诸多并广泛存在于所有物种，参与了诸多的基础生物学过程，而且SPFH家族蛋白质的寡聚组织方式、三维结构及其调控各异的膜相关分子过程的机制十分不清楚。本研究以KCF为SPFH家族的一个模式复合物，借助冷藏电镜三维构建技术研究了KCF复合物的组成型式和高分辨三维结构。
首先，冷藏电镜结构数据表明HflK/C以异源二聚体为基本单元，12个HflK分子和12个HflC分子间隔排列在内膜上产生跨膜的异二十四聚体的笼状结构。HflK/C的跨膜区域（N-）产生并隔离出大概半径20nm的一个方形膜区域；HflK/C的大部份多肽残基坐落周质空间，而且组装成一个完全密封的笼状结构。更为有趣的是细胞膜结构，FtsH六聚体可以悬挂到HflK/C产生的微型膜域中，一个笼状结构最多可以包含4个FtsH六聚体（图1）。FtsH六聚体的周质空间结构域（PD）完全包裹在HflK/C在周质空间产生的笼状结构中，与复合物中HflK分子的SPFH结构域直接互相作用。
图1：KCF复合物（包含不同数量的FtsH六聚体）的结构概貌
其次，基于对包含4个FtsH六聚体的KCF复合物的高分辨结构（3.3埃）的剖析，论文发觉了SPFH家族的一些之前未知的共有结构属性（图2）：SPFH家族特有的SPFH区域可以被精确的界定为两个结构域（SPFH1和SPFH2），其中SPFH1结构域实际上是插膜结构域，大概近半的结构插入到细胞膜的外叶（outer）中；相邻的SPFH1结构域相互紧密作用，直接在外叶上界定了一个半径为20nm的和周围脂类完全分开的微型区域。高分辨结构清晰地展示了HflK和HflC完整的从N-到C-端并排互相作用的寡聚方式：不仅互相作用的SPFH1和SPFH2结构域，其中间的结构域（单根α螺旋，CC1和CC2）也相互紧密互作，通过手指螺旋产生笼状结构的壁；最紧靠C末端的结构域包含有一个特点性的β-（β9），复合物中所有的HflK和HflC亚基各自贡献一条β-，因而产生一个稳定的β-。
图2：HflK/C的结构模型、结构域组成及细胞膜微域的产生
论文进一步确定了HflK亚基上参与辨识和结合FtsH的多肽序列。基于这种结构信息以及生化实验数据，提出了HflK、HflC通过FtsH调控真菌膜蛋白稳态的分子机制：在正常生理状态下，HflK/C笼状结构就能将FtsH蛋白酶在空间上隔离，因而避免FtsH对细胞膜上功能性膜蛋白的降解，这对于维持坐落异常拥挤的细胞膜上的膜蛋白稳定性至关重要；而对于非正常组装的膜蛋白，或则损伤的膜蛋白复合物，其游离末端的无序序列依然才能被FtsH辨识因而进行选择性降解（图3A-B）。
更为重要的是，论文对典型的SPFH家族蛋白质进行了基于序列的结构剖析，发觉所有的SPFH家族蛋白质的结构域组织都与HflK/C高度类似，由N端的SPFH1和SPFH2结构域，中间的CC结构域，以及C端的β片层结构域组成。这种剖析表明所有的SPFH家族成员很有可能以一种相像的形式在不同亚细胞定位的细胞膜系统上产生笼状结构，进而产生不同规格的微型膜域。尤其值得强调的一点是，SPFH1作为插膜结构域，直接参与产生-的微型膜域，鉴于不同的SPFH蛋白质具有不同的膜拓扑学性质，SPFH具备调控不同的脂类流动性的能力（图3）。同时，HflK/C笼状结构招募和隔离FtsH六聚体的这一方式也为理解脂类微域的功能化提供了一个新颖的模型：不同的SPFH蛋白质会通过与锚定在膜上的不同功能的膜蛋白（AAA+蛋白酶、离子通道、膜受体等）互相作用，纵向隔离那些功能分子，进而赋于微型膜域的功能特异性（图3）。
图3：KCF复合物的膜蛋白质量监控模型及SPFH家族蛋白在FMM组织中的结构基础
综上所述，本研究通过真菌的SPFH家族的HflK、HflC的结构和功能解析揭示了一种十分新颖的膜蛋白复合物的组织方式，这对于理解其线粒体同源蛋白在人类相关的病症中的分子机制十分关键。更为重要的是，这篇工作为理解FMM或则脂筏这一“模糊”的细胞生物学概念提供了具有“具象”的数学基础。SPFH蛋白质在膜上的笼状结构可以完美地解释现有“脂筏”模型中的一些重要的科学争议，必将会很大地推动这一领域的概念演进，也为整个SPFH家族蛋白质的研究提供了一个新起点。
Cell同刊物发了题为“cage–oneringtorulethemall”的。评论文章由美国MaxDelbrückfor的和GaryR.Lewin撰写，强调了本论文对于理解功能性微型膜域的普适性分子组织原理的重要意义。
高宁为本论文的通信作者。高宁组的博士后马成英和王呈坤为本文的共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金委、生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室和生科院海门产业创新基金的经费支持，以及上海学院冷藏电镜平台、电镜实验室、高性能估算中心、生科院仪器中心及国家蛋白质基础设施（清华分平台）的技术支持。马成英和王呈坤得到了生命科学联合中心的博士后基金支持。