摘要：神经元漫长的生命（几乎伴随我们一生）和精密的功能，要求其自身结构必须具备极高的稳定性。一根轴突(axon)就像一架跨越山海的精密桥梁，需要坚固的支架来抵御机械应力，维持信息高速公路的畅通。然而，神经元又必须是“可塑”的，学习、记忆、适应……这些高级功能都源于其
神经元漫长的生命（几乎伴随我们一生）和精密的功能，要求其自身结构必须具备极高的稳定性。一根轴突(axon)就像一架跨越山海的精密桥梁，需要坚固的支架来抵御机械应力，维持信息高速公路的畅通。然而，神经元又必须是“可塑”的，学习、记忆、适应……这些高级功能都源于其局部结构的动态变化。这种对“稳定”与“可塑”的双重、甚至看似矛盾的需求，是神经科学中最引人入胜的问题之一。长久以来，研究人员认为，神经元轴突膜下的一个被称为“膜相关周期性骨架(membrane-associated pERiodic skeleton, MPS)”的结构，是其稳定性的核心保障。它如同一副由肌动蛋白环(actin rings)和血影蛋白(spectrin)撑杆搭建的、间距精准的“龙骨”，为神经元提供了坚实的支撑。
然而，凡事皆有例外。8月7日，《Science》的研究报道“The membrane skeleton is constitutively remodeled in neurons by calcium signaling”，彻底颠覆了这一“静态”的认知。研究团队通过巧妙的活细胞超高分辨率成像技术，捕捉到了一个令人震惊的景象：这副被认为是“静态脚手架”的MPS，实际上是一个充满活力的动态系统，时刻在进行着“拆解”与“重建”的循环。该研究不仅揭示了这一前所未见的生命过程，更系统地剖析了其背后的调控机理和重要的生理功能。它告诉我们，神经元的“骨骼”并非静止的钢筋水泥，而是一个会“呼吸”、会“律动”的生命体。
如果你能把一根神经元的轴突放大到肉眼可见的尺度，你会期待看到什么？按照以往的认知，那应该是一个像梯子一样规整、静止的结构。为了亲眼验证这一点，研究人员构建了一种巧妙的“报告”小鼠。他们通过基因编辑技术，在小鼠自身的βII-血影蛋白(βII-spectrin)的末端，接上了一个名为mNeonGreen的荧光蛋白。血影蛋白是MPS的关键组成部分，标记了它，就等于给整个骨架装上了“示踪灯”。
随后，他们从这种小鼠身上分离出海马体神经元进行培养，并使用一种名为“晶格结构照明显微镜(lattice structured illumination microscopy, SIM)”的超高分辨率成像技术，对活的神经元进行实时观察。这项技术能够突破普通光学显微镜的衍射极限，让我们看清纳米级别的微观结构。
当研究人员将目光聚焦于屏幕时，惊人的景象出现了。原本应是稳定排列的荧光环状结构，竟然在他们眼前不断地“闪烁”——在某些区域，几节荧光环带会突然变暗、消失，仿佛被凭空抹去；而片刻之后，又在原地重新亮起，恢复如初。这并非整个轴突在漂移或失焦，因为当他们用另一种染料标记细胞膜时，发现细胞膜本身稳如泰山，纹丝不动。这意味着，是MPS骨架本身在经历着一轮又一轮的局部拆解和重组。
为了探究这种动态行为的尺度，研究人员设置了不同的观察“快门速度”。在15秒一帧的拍摄条件下，他们可以清晰地看到一段段MPS在约4分钟的观察窗口内反复消失又重现。当他们将时间分辨率提高到1秒一帧时，甚至能捕捉到单个肌动蛋白环的“生”与“灭”，尽管由于成像时间的限制，这种事件显得较为罕见。而当他们将观察时长拉长到1小时（每5分钟拍摄一帧）时，则看到了更大范围的、更为剧烈的重塑，有些区域的骨架甚至整段消失后再缓慢地重建。
通过严谨的量化分析，研究人员发现，这种重塑现象极为普遍。在长达4分钟的观察窗口内，超过80%的轴突都表现出这种动态性，且发生重塑的区域能占到整个轴突长度的20%至30%。这说明，在任何一个时刻，轴突中都有一部分“骨骼”正处于活跃的“施工”状态，从一个相对长寿的稳定态，转变为一个短暂的、活跃的“可变”状态。
为了排除这是由于荧光蛋白标记本身造成的“假象”，研究人员进行了多重验证。他们用其他方式标记MPS的不同组分，例如用GFP标记的内收蛋白(adducin)或直接标记肌动蛋白的染料SiR-actin，都观察到了相似的动态现象。更有说服力的是，他们猜想，如果这种动态重塑是真实存在的，那么即便在固定（死亡）的细胞中，也应该能看到一些“施工”留下的“不完美”痕迹。果不其然，在完全没有活细胞成像干扰的固定神经元样本中，通过另一种更高分辨率的STORM成像技术，他们发现大约30%的轴突长度上，MPS结构都存在着瑕疵。这一数据与活细胞成像的观察结果惊人地吻合。
这些数据共同指向一个结论：神经元的膜下骨架（MPS）并非一个一成不变的静态结构，而是一个时刻在经历着局部拆解和重建的、具有内在活力的动态网络。它仿佛拥有自己的“心跳”和“呼吸”，在稳定与变化之间维持着一种巧妙的平衡。
发现了这一惊人现象后，下一个更重要的问题是：谁是这场宏大重塑工程的总指挥？是什么信号启动并调控着MPS的“拆”与“建”？
为了高效地筛选出潜在的调控“开关”，研究人员采用了一种高通量的筛选策略。他们暂时放弃了能看清细节但速度较慢的超高分辨率成像，转而使用传统的衍射极限显微镜。在这种分辨率下，虽然单个的MPS环无法被分辨，但它们会融合成一条连续的荧光带。研究人员推断，当一段MPS发生拆解和重建时，这段荧光带的亮度也会随之发生波动。通过计算荧光信号随时间变化的“自相关函数(autocorrelation function)”，他们就能量化这种波动的剧烈程度，从而评估MPS的动态性。自相关函数的振幅越大，就意味着动态重塑越频繁。
利用这一巧妙的方法，他们开始了一场大规模的“嫌疑人排查”。他们测试了多种细胞过程的抑制剂，这些过程都可能与MPS的稳定性有关，包括：内吞作用(endocytosis)、微管(microtubules)及相关运输、肌球蛋白-II(myosin-II)。然而，当他们用相应的药物（如PitStop、dynasore、nocodazole、blebbistatin等）抑制了这些过程后，发现MPS的动态性几乎没有受到影响。自相关曲线依然平稳，波澜不惊。
就在“案情”陷入僵局时，两个关键因素的出现彻底扭转了局面。研究人员发现，当他们扰乱细胞内的钙离子(Ca²⁺)浓度和肌动蛋白的稳定性时，MPS的动态性发生了剧烈的变化。
他们使用了钙离子螯合剂BAPTA，这种药物能像“海绵”一样吸走细胞内游离的钙离子。结果，MPS的动态性被大幅度抑制，荧光信号的波动几乎消失了。反之，当他们使用一种“光控笼锁钙(caged Ca²⁺)”化合物NP-EGTA，并通过光照精确地在神经元中释放钙离子时，MPS的动态性则显著增强。这“一正一反”两个实验，有力地证明了钙离子在驱动MPS重塑中扮演着核心角色，就像乐队指挥手中的那根“指挥棒”。
与此同时，当研究人员使用一种名为“鬼笔环肽(Jasplakinolide)”的药物来强制稳定肌动蛋白丝，使其无法解聚时，MPS的动态性同样受到了强烈抑制。这表明，肌动蛋白环的解聚和聚合是MPS重塑过程的物理基础。
为了再次确认这些发现在纳米尺度上的真实性，研究人员重新回到了超高分辨率的SIM成像。这一次，他们带着明确的目标，直接观察钙离子变化对MPS结构的影响。结果与高通量筛选完全一致：用BAPTA处理后，原本活跃的MPS拆解-重组现象几乎完全停滞；而在持续低强度光照释放钙离子的情况下，MPS的重塑频率则明显增加。
至此，谜底的前半部分已经揭晓：钙信号是启动MPS重塑的关键上游信号，而这一过程的最终执行依赖于肌动蛋白丝的动态变化。钙离子的每一次浓度波动，都像一道命令，指挥着MPS进行局部的“拆卸”与“安装”。
既然确定了钙离子是“总指挥”，那么下一个问题便是：这些指挥信号是从哪里发出的？在神经元中，钙信号的来源多种多样，最主要的一种与神经活动直接相关，即动作电位(action potentials)。当神经元兴奋并产生动作电位时，会打开细胞膜上的电压门控钙通道，让大量的钙离子涌入细胞内。
为了验证神经活动是否是MPS重塑的驱动力，研究人员使用了一种经典的神经毒素——河豚毒素(tetrodotoxin, TTX)。TTX能够特异性地阻断动作电位的产生。实验结果显示，TTX处理确实降低了MPS的重塑频率，但其抑制效果远不如之前使用的钙离子螯合剂BAPTA那么彻底。
这个结果非常有启发性。它说明神经活动（动作电位）确实能够促进MPS的重塑，但并非唯一的驱动因素。一定还存在其他来源的钙信号在起作用。研究人员进一步的实验解释了其中的差异：当他们直接监测神经元内的钙信号时，发现TTX和BAPTA都能消除由动作电位引起的短暂钙脉冲(Ca²⁺ spikes)，但BAPTA还会显著降低细胞内基础的、静息状态下的钙离子浓度，而TTX则不会。这表明，驱动MPS重塑的钙信号，既包括与神经兴奋相关的“峰值”信号，也包括更基础、更持久的“背景”信号。
为了进一步追踪这些“背景”钙信号的来源，研究人员测试了多种针对特定钙通道或钙库的抑制剂。他们发现，抑制N型和L型这两种电压门控钙通道同样会减少MPS的动态性。而当他们扰乱细胞内最大的钙库——内质网(endoplasmic reticulum, ER)的钙存储与释放时，却对MPS的动态性影响甚微。
这些证据拼凑出了一幅更完整的图景：驱动MPS重塑的钙信号，主要来源于细胞外部通过细胞膜上的多种电压门控钙通道的流入。这既包括由动作电位引发的大量内流，也包括由自发的、亚阈值的突触活动等引起的局部、小规模的钙内流。神经元似乎利用了这些无处不在的钙波动，作为调节自身骨架结构的“晴雨表”。有趣的是，研究人员还发现，这些钙通道在轴突上与MPS结构存在共定位，这种空间上的毗邻，无疑为钙信号快速、精确地作用于MPS提供了便利。
找到了“总指挥”钙离子，接下来的任务就是找出它手下的两位得力“干将”——那些直接执行“拆解”命令的下游效应分子。研究人员将目光锁定在几种已知的、受钙离子调控并且可能作用于MPS组分的酶。筛选结果很快指向了两个关键的蛋白：蛋白激酶C(Protein Kinase C, PKC)和钙蛋白酶(Calpain)。
第一个引擎：PKC与“松动的螺丝”
PKC是一种钙依赖性的激酶，它的作用是在其他蛋白质上添加磷酸基团，从而改变这些蛋白质的功能，这就像是给机器的某个零件“充电”或“断电”。研究人员发现，当用药物(GFX)抑制PKC的活性时，MPS的重塑被显著减少；而用药物(PMA)激活PKC时，重塑则大大增强。
那么，PKC究竟是如何通过磷酸化来破坏MPS的呢？研究指向了一个关键的目标蛋白——内收蛋白(adducin)。内收蛋白在MPS中的作用像一个“瓶盖”或者“卡扣”，它位于肌动蛋白环上，不仅能稳定肌动蛋白丝的末端，还能像“铆钉”一样，将肌动蛋白环与血影蛋白“捆绑”在一起。而已有研究表明，PKC能够磷酸化内收蛋白，导致其与肌动蛋白和血影蛋白的结合力下降。
为了验证这一机制，研究人员通过一系列实验证实，PKC通过磷酸化内收蛋白，松开了稳定MPS的关键“铆钉”，从而为整个结构的拆解铺平了道路。最关键的一步功能验证发现，当通过shRNA技术敲低神经元中内收蛋白的表达后，MPS的重塑反而“增加”了。这个看似矛盾的结果其实非常合理：它说明内收蛋白的正常功能是“稳定”MPS，当这个“稳定器”被移除后，整个结构自然就变得更加不稳定、更容易发生动态变化。
第二个引擎：Calpain的“暴力剪切”
与PKC的“巧劲”不同，钙蛋白酶(Calpain)的作用方式则更为“暴力”。它是一种钙依赖性的蛋白水解酶，相当于一把由钙离子激活的“分子剪刀”，能够直接将血影蛋白剪断。研究人员通过抑制剂(MDL)实验证实，抑制Calpain的活性同样能显著减少MPS的重塑。为了更直观地看到Calpain的“破坏力”，他们进行了一个震撼的实验：在装载了笼锁钙的神经元中，用一束强紫外光瞬间在局部区域释放大量钙离子。就在光照的瞬间，他们观察到该区域的血影蛋白荧光信号急剧下降，几乎完全消失，对应着MPS的快速降解。
双引擎的协同作战
既然PKC和Calpain都能在钙离子的指挥下促进MPS的拆解，那么它们是各自为战，还是协同作战呢？研究人员发现，这两个过程紧密相连。当他们抑制PKC的活性时，由Calpain介导的血影蛋白剪切也随之减少。更有趣的是，在一个关键实验中，他们发现，如果预先用PKC抑制剂处理神经元，那么即使后续用强光释放大量的钙离子，血影蛋白也变得“刀枪不入”，不再像之前那样被快速降解。
这个结果揭示了一个协同机制：PKC介导的内收蛋白磷酸化，不仅自身能破坏MPS的稳定性，似乎还能“暴露”出原本被保护的血影蛋白切割位点，从而大大增强了Calpain的“剪切”效率。这就像拆一个复杂的机器，你不能直接用大锤硬砸(Calpain)，而是需要先用螺丝刀拧松关键的螺丝(PKC磷酸化adducin)，这样后续的拆解才能顺利进行。
一个完整的重塑过程，不仅包括“拆解”，还必须有“重建”。否则，MPS只会被不断破坏，最终导致神经元结构的崩溃。那么，谁负责在旧的废墟上重建新的肌动蛋白环呢？研究人员将目光投向了一类被称为“Formin蛋白”的分子。Formin蛋白家族是细胞内构建“线性”肌动蛋白丝的专家。
在该研究中，研究人员发现，多种Formin蛋白（如mDia2, Daam1, Fmn2）确实与MPS的肌动蛋白环相关联。当他们用抑制剂(SMIFH2)短时间抑制Formin活性时，MPS的重塑频率出现了中等程度的下降。而当他们长时间抑制Formin，或者直接敲低其中一个关键成员mDia2时，则观察到了MPS结构的部分丢失。
这些结果表明，Formin蛋白在MPS的生命周期中扮演着一个“双重角色”。一方面，它们是“建设者”，在MPS被拆解后，负责催化新的肌动蛋白丝聚合，完成重建工作，这是维持MPS长期完整的必要条件。另一方面，它们也可能是“破坏的推手”，因为它们在结合肌动蛋白丝时可能会“挤走”起稳定作用的内收蛋白。
因此，MPS的动态平衡，就是在一系列稳定因子（如内收蛋白）和失稳/重建因子（如PKC、Calpain、Formin）之间，通过钙信号的精巧调控，达成的一种动态妥协。
至此，研究人员已经清晰地描绘出MPS动态重塑的分子机制。但一个更深层次的问题依然悬而未决：神经元为什么要如此“大费周章”地维持这样一套复杂的系统？这种持续的、耗费能量的“拆了又建”究竟有什么好处？
研究人员提出了一个极具吸引力的假说：MPS就像一道紧贴着细胞膜的“栅栏”，它在提供结构支持的同时，也阻碍了细胞膜进行某些需要变形的活动，例如内吞作用(endocytosis)。因此，神经元可能需要通过“局部、暂时地拆除一小段栅栏”的方式，来为这些生理活动“开绿灯”。
为了验证这个假说，他们设计了一系列实验来检测内吞作用。他们使用荧光标记的低密度脂蛋白(LDL)作为内吞作用的“货物”，观察在不同条件下，轴突摄取LDL的效率。实验结果为假说提供了强有力的支持：
当他们使用之前证明能够“抑制”MPS重塑的三种药物（PKC抑制剂、Calpain抑制剂和肌动蛋白稳定剂）来“加固”这道栅栏时，轴突对LDL的内吞效率都出现了大幅下降，降幅高达70-80%。反之，当他们通过基因敲低来“移除”整个MPS栅栏（敲低βII-血影蛋白）时，内吞作用则显著“增强”了约30%。
这一系列结果非常说明问题。一个更稳定的、动态性更差的MPS会强烈抑制内吞，而移除MPS则会促进内吞。这证明，MPS的“存在”本身对内吞是抑制性的，而MPS的“动态性”则是为了在功能上克服这种抑制。神经元正是通过这种持续的重塑，为各种需要接触和变形细胞膜的生命活动，打开了一个至关重要的“机会之窗”。
这项研究让我们得以窥见神经元内部一个前所未见、充满活力的微观世界。它将我们对神经元“骨骼”的认知从一个静态的、类似建筑脚手架的模型，彻底转变为一个动态的、时刻响应环境信号而进行自我改造的生命系统。
这种由钙信号精密调控的重塑机制，其意义可能远不止于促进内吞作用。例如，MPS本身也是一个重要的信号转导平台，许多受体和信号分子都锚定其上。MPS的动态拆解与重组，或许能够调控这些信号分子的聚集与分离，从而调节信号传递的强度和时效。
更重要的是，这项研究在分子、细胞层面与神经系统的宏观功能之间，架起了一座新的桥梁。我们知道，神经元的活动，如学习和记忆，依赖于突触的可塑性变化。而这项研究揭示，神经元的活动能够直接通过钙信号，来调控其最基础的骨架结构。这提示我们，轴突本身的结构可塑性，可能也是神经系统实现学习、适应等高级功能的一个未被充分认识的重要物理基础。
生命总是在看似矛盾的需求中寻找最佳的解决方案。神经元既要稳定地活近百年，又要灵活地响应每一刻的变化。MPS的动态重塑，正是这一哲学在纳米尺度上的完美体现。它不再是一座冰冷的、静止的纪念碑，而更像一座繁华的城市。在这座城市里，基础设施(MPS)坚固可靠，保障着日常的交通与秩序；但同时，它又无时无刻不在进行着局部的维修、改造与升级，以适应城市（神经元）不断发展的需求，支持着其中丰富多彩的生命活动。
参考文献
Heller E, Kurup N, Zhuang X. The membrane skeleton is constitutively remodeled in neurons by calcium signaling. Science. 2025 Aug 7;389(6760):eadn6712. doi: 10.1126/science.adn6712. Epub 2025 Aug 7. PMID: 40773558; PMCID: PMC12333566.
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来源：生物探索一点号1