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2026

PNAS｜毛细力介导的生物分子凝聚体调控细胞膜形态转化

作者：

英文题目

Condensate-mediated shape transformations of cellular membranes by capillary forces

毛细力介导的生物分子凝聚体调控细胞膜形态转化

期刊信息

期刊名称：Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

发表日期：2026年3月16日

DOI号：10.1073/pnas.2424126123

摘要内容

生物分子凝聚体通过液-液相分离形成具有液体特性的无膜细胞器，在细胞内环境组织和区室化中发挥关键作用。本研究结合植物活体成像、体外重构系统和计算机模拟，系统研究了凝聚体介导的毛细力如何驱动细胞膜的形态转化。研究发现，凝聚体-膜接触界面可形成三种特征性膜结构：管状（tubes）、片状（sheets）和杯状（cups）。高界面张力促进稳定片状结构的形成，而低界面张力则有利于管状和杯状结构的稳定存在。通过计算自由能和能量势垒，研究揭示了膜形态转化具有历史依赖性，表现出管-杯滞后现象（hysteresis），即相同界面张力下可存在不同形态，取决于系统经历的路径。这一发现表明，凝聚体表面性质的时间动态调控可介导细胞内杯状结构的形态发生，如植物液泡中"bulb"结构的形成，为理解凝聚体-膜相互作用的一般物理机制提供了新视角。

研究背景和意义

细胞区室化是生命活动的基础，由膜包被细胞器和液态样凝聚体共同实现。近年研究发现，凝聚体通过"润湿"（wetting）作用产生的毛细力可重塑细胞骨架和膜包被细胞器，调控自噬体闭合、植物液泡囊泡化、内吞作用及多泡体生物发生等重要生理过程。然而，现有研究多集中于平衡态条件，而细胞内环境本质上处于非平衡态，膜持续重塑。尽管无界面囊泡的形态变化受能量势垒和亚稳态等非平衡效应调控，但凝聚体润湿如何影响膜形态多样性（管、片、杯）的形成与转化仍是未解之谜。因此，亟需整合体内外实验与计算模拟，阐明凝聚体界面张力动态调控膜形态转化的物理机制。
无凝聚体细胞器的平衡态形态已通过弹性变形能*小化理论得到较好理解，体积-面积比降低驱动形态从管状经片状向杯状转变。凝聚体润湿被确认为调节细胞器形态的独立机制，高界面张力可稳定膜片（如阻止自噬体形成）。但现有理论模型、粗粒化模拟和重构实验多考虑平衡态，缺乏对非平衡效应的系统研究。

本研究解决的问题和创新点：（1）在植物活体中观察到液泡凝聚体界面存在片状和杯状膜结构，揭示其形成与凝聚体界面性质的关联；（2）建立可调控界面张力的体外仿生系统（GUV包封相聚合物流体），实现纯物理化学力驱动的膜形态研究；（3）开发弹性膜蒙特卡洛模拟模型，定量计算自由能景观和能量势垒；（4）发现形态转化的滞后效应，提出界面张力时间动态调控是杯状结构形成的关键，为植物液泡"bulb"等生理结构提供全新机理解释。

实验步骤

植物活体成像：使用拟南芥（Arabidopsis thaliana）35S:TPK1-GFP转基因株系（液泡膜标记绿色荧光蛋白）。植株在土壤中4°C暗处理2天后，于22°C/65%湿度（昼）和18°C/75%湿度（夜）、16小时光照/8小时黑暗条件下培养约6周。取植株下部角果，用双面胶固定种子，在体视显微镜下手动解剖弯曲子叶期胚胎。液泡染色使用20 μM中性红（Neutral Red, Sigma-Aldrich）溶液孵育至少5分钟。共聚焦显微镜（Zeiss LSM800 Imager.Z2）使用C-Apochromat 40×/1.2 W korr或63×/1.2 W korr物镜，488 nm激光激发GFP（收集505-540 nm发射光），561 nm激光激发中性红（收集565-615 nm发射光）。电子显微镜样品经高压冷冻（EM HPM 100, Leica）处理，冷冻替代程序为：-90°C 12小时，18小时内逐渐升温至-20°C，-20°C保持12小时，3小时内升至+4°C，随后用含1%锇酸、0.1%戊二醛和0.5% H₂O的丙酮溶液处理，最终经环氧树脂包埋、超薄切片（90 nm）和扫描电镜（Helios 5CX SEM, Thermo Fisher）成像。

体外膜制备（GUV电形成法，关键步骤）：采用电形成法制备巨型单层囊泡（GUVs）以模拟液泡膜。脂质混合物组成为1-棕榈酰基-2-油酰基-甘油-3-磷酸胆碱（POPC, Avanti Polar Lipids）与1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-甘油-3-磷酸-L-丝氨酸（POPS, Avanti Polar Lipids）按9:1摩尔比混合，溶解于氯仿中。膜荧光标记使用1 mol%膜染料（DiIC18用于共聚焦成像，Atto 647N-DOPE用于STED超分辨成像）。将脂质溶液涂覆于氧化铟锡（ITO）玻璃 slides形成脂质薄膜，以特氟龙垫片间隔组装电形成室。注入均相聚合物流体（葡聚糖450-600 kDa与聚乙二醇8 kDa，质量比1:3，其中葡聚糖含少量FITC标记组分）后密封，施加5 V交流电、100 Hz频率，60°C下电形成1.5小时。电形成后，将GUVs稀释于含蔗糖的高渗聚合物溶液中，通过调节渗透压使内部聚合物溶液跨越双节线（约8.6 wt%）发生相分离，形成上层PEG富集相和下层葡聚糖富集相，两相间产生水平液-液界面，其界面张力由离心滴张力仪（Krüss）测定。GUVs在室温（22±1°C）平衡1-24小时后，在液-液界面观察膜管、膜片和膜杯结构。超分辨STED成像使用Leica TCS SP8 gSTED 3X显微镜，HC PL APO CS2 100×/1.4油镜，775 nm损耗激光和640 nm激发光，理论分辨率达约50 nm。每个界面张力条件统计40-70个GUVs，独立重复2-3次实验。

主要结果和结论

在拟南芥胚胎子叶液泡中，观察到凝聚体-液泡膜（tonoplast）接触界面形成荧光强度约为周围液泡膜两倍的片状（sheets）和杯状（cups）膜结构，提示为双层膜紧密贴合结构。体外GUV重构系统证实，液-液界面可稳定存在管状、片状和杯状三种膜形态，STED超分辨成像显示膜片双分子层间距为204±23 nm，膜杯间距为105±25 nm，外层溶液填充于双层膜之间，证实结构由周围GUV膜内陷形成。界面张力测定与形态频率统计表明：高界面张力（Σ > 20 μN/m）下片状结构占主导（频率~40%），低界面张力（Σ < 5 μN/m）下管状和杯状共存，杯状频率随张力降低而升高。蒙特卡洛模拟构建的形态相图显示，无量纲界面张力σ与体积-面积比v共同决定平衡态形态：高σ稳定片状，低σ有利于管状和杯状。模拟进一步揭示形态转化的路径依赖性：从管状增加σ时，发生非轴对称的管-片转变（对称性破缺）；随后降低σ，片经轴对称路径转变为杯，但反向转变受阻，形成滞后环。转变时间分析显示，管-片转变随σ增加而加速（能量势垒降低），片-杯转变随σ增加而减慢（能量势垒升高），体外实验与模拟趋势一致。结论：凝聚体界面张力通过调控能量势垒和亚稳态，以非平衡历史依赖方式驱动膜形态转化，为理解植物液泡"bulb"等杯状结构的生物发生提供了"时间动态调控界面张力"的物理机制。

详细机理

本研究建立了"弹毛细作用"（elastocapillary）理论框架，将Helfrich弹性膜理论与Young-Laplace毛细力理论相结合，阐释凝聚体-膜相互作用的物理本质。膜形态由两个无量纲参数控制：体积-面积比v = 6√πV/A^(3/2)和约化界面张力σ = ΣR²/(2κ)，后者表征界面能与弹性恢复力之比。系统总自由能F = E_b - ΣA_p包含膜弯曲能E_b和界面张力对投影面积A_p的贡献。在液-液界面处，凝聚体界面张力Σ沿接触线作用于膜，产生垂直于对称轴的毛细力。对于管状结构，其对称轴平行于界面，毛细力破坏轴对称性，驱动侧向膨胀形成片状区域；片状结构的对称轴垂直于界面，毛细力稳定双凹面构型。当σ升高时，毛细力主导，克服弯曲弹性，促使管→片转变（非轴对称、一级相变特征）；当σ降低时，弯曲力主导，片层下方面膜经历曲率反转（从凹变凸），经轴对称路径形成杯状（连续、二级相变特征）。由于管→片转变需克服较高能量势垒（ΔF‡），而片→杯转变势垒相对较低，且片态为亚稳态，系统存在显著滞后效应：低σ时管态和杯态均可存在，但杯态无法直接逆转为管态，必须经片态中介。这种历史依赖性意味着，杯状结构的形成需要界面张力先升高（形成片）后降低（片转杯）的时间序列调控。膜间静电排斥（<100 nm时显著）进一步稳定紧密贴合的双层膜结构。该机理普遍适用于任何凝聚体-膜接触系统，为理解内质网、高尔基体、自噬体等细胞器的动态重塑提供了统一的物理化学基础。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YBEq7i3MUtNOiaOYIBDUEw