Nature Structural &amp Molecular Biology：Vipp1螺旋形成、环结构发生和膜修复的机制

为探究Vipp1与膜的相互作用特性，明确其是否对特定膜结构具有偏好性以及相互作用的动态过程。作者在低盐（10 mM NaCl）和高盐（500 mM NaCl）缓冲液中纯化来自Nostoc punctiforme的Vipp1，并借助共聚焦显微镜观察标记的Vipp1（Vipp1Alexa448）在支持脂质双层（SLBs）上的动态变化情况。在低盐缓冲液中，Vipp1形成多种三维聚合物；高盐缓冲液会促进其部分解聚。Vipp1Alexa448优先在SLB边缘形成局部涂层，且这种结合不受离子强度的影响。当相邻SLB融合时，结合的Vipp1会迅速从融合点解离。结果证实Vipp1是一种膜曲率传感器，对高度弯曲和扰动的膜具有强烈偏好，且与膜边缘的相互作用高度动态。

作者利用F-AFM高时空分辨率的技术，进一步深入解析Vipp1在膜边缘的动态组装过程和形成的结构特征。 结果发现Vipp1在SLB边缘积累，形成动态的平面丝，这些丝会卷曲形成螺旋或环，最终覆盖整个脂质表面。研究人员还对丝的生长速度、宽度、螺旋直径和面积等进行了量化分析，发现螺旋会向内卷曲形成环，环最终会从母螺旋上脱落。此外，环也会在没有母螺旋的情况下自发形成。Vipp1在膜上能够组装形成动态的平面细丝、螺旋、环和片层网络，且这些结构之间存在动态的转化关系。

为详细研究Vipp1螺旋形成环的具体过程、环的特征以及环与膜的相互作用特性。作者通过F-AFM观察Vipp1螺旋和环的形成过程，并对环的高度、直径等参数进行量化分析。结果表明，Vipp1螺旋在成熟过程中，环会从螺旋中心突出并脱离，环的高度、直径等参数具有特定的分布范围。Vipp1高盐条件下纯化的环（Vipp1ringsHS）能够扫描膜表面并结合受损区域，其形状和尺寸与低盐条件下形成的环（Vipp1ringsLS）相似。Vipp1螺旋在成熟过程中会形成突出的中央环并脱离，且不同条件下形成的环具有相似的结构和功能，Vipp1环能够扫描并结合受损膜区域。

为分析在低盐条件下Vipp1片层和螺旋丝的超微结构，探究二者之间的内在联系。作者利用较低速度的AFM观察Vipp1片层和螺旋丝的结构，将Vipp1暴露于脂质单层进行研究，并对相关结构进行量化分析。Vipp1片层呈现出平行条纹或脊，间距为54 ?，螺旋丝也有相同间距的平行脊，且相邻螺旋圈有时会融合。在脂质单层上，Vipp1的三维聚合物有时会结合在表面，形成的丝状结构可融合成更宽的片层，环通常位于螺旋中心。Vipp1螺旋丝和平面片层具有等效的超微结构，54?的重复结构是其聚合物组装的关键组成部分，且二者在不同条件下可以相互转换。

为确定Vipp1螺旋丝的结构，并探究其与Vipp1环在结构上的内在联系和相互关系。作者通过冷冻电镜（Cryo-EM）确定四种Vipp1螺旋丝的结构，包括Vipp1、Vipp1-F197K/L200K、Vipp1Δα6_1-219形成的螺旋丝，并进行详细的结构分析。Vipp1螺旋丝的亚基通过相似的界面自组装，与Vipp1ringsHS的聚合界面相似，形成ESCRT-III样原丝，这些原丝构成了螺旋丝的结构。不同Vipp1螺旋丝的结构存在差异，Vipp1Δα6_1-219形成的螺旋丝更稳定。Vipp1螺旋丝和环聚合物之间存在紧密的联系，相对较小的组装动力学调整有助于这些聚合物类型之间的转换，且Vipp1Δα6_1-219突变体影响Vipp1的聚合和结构。

为研究Vipp1F197K/L200K突变对其结构和膜结合的影响，以及Vipp1螺旋和环聚合物在结合膜时的差异和转换机制。作者对Vipp1F197K/L200K突变体进行Cryo-EM分析，观察其与膜的相互作用，并与Vipp1进行对比研究。Vipp1F197K/L200K突变体形成长螺旋丝，常带有膜泡帽，其内部腔室存在脂质双层。与Vipp1环相比，Vipp1F197K/L200K的ESCRT-III样原丝相对于膜管轴旋转了约43°，且为适应膜平面的相对变化，单个亚基发生了显著的构象变化。Vipp1晶格可通过不同的晶格取向使膜沿同一轴管状化，螺旋和环构象之间的转换是由晶格旋转和丝扭转引起的，而非形成新的聚合物形式。

综合前面的实验结果，构建Vipp1螺旋形成、环生物发生和膜修复的机制模型，全面阐述其在膜相关过程中的作用机制。提出Vipp1螺旋形成、环生物发生的模型，以及其在膜传感、稳定和修复中的作用机制。Vipp1可通过多种方式稳定和修复膜，如形成螺旋和环结构、退火形成片层等。明确了Vipp1在膜稳定和修复中的多种作用机制，包括作为膜传感器、形成不同聚合物结构来稳定和修复膜等，这对于理解蓝藻和叶绿体中膜的维持和修复机制具有至关重要的意义。鉴于Vipp1与其他ESCRT-III蛋白具有同源性，该研究结果可能适用于其他ESCRT-III系统，有助于深入探究细胞内的膜重塑过程。在未来的研究中，这些发现可能为开发针对膜相关疾病的治疗策略提供理论基础，也为研究生物膜的稳定性和修复机制开拓了新的视角和思路。

本研究中所用的高速原子力显微镜是部的生物型原子力显微镜。布鲁克的 NanoWizard? ULTRA Speed 3 生物原子力显微镜 (BioAFM) 在速度和性能方面树立了新的标杆。该仪器集成了先进的自动化功能和每秒 1,400 条扫描线的扫描速度，能够无缝集成到先进的光学显微镜和超分辨率技术中。该系统提供了相关样品测量以及对广泛软物质和活体生物样品的全面纳米力学表征。其自动化的快速扫描和分析功能极大地提高了通量及灵敏度、可靠性和测量精度。