内质网和高尔基体的膜泡运输——膜泡的形成

•

我们在上一讲《 细胞内功能区隔与蛋白质分选 》中提到，完成翻译的蛋白质要去发挥结构或功能作用，而他们发挥功能的部位几乎遍布细胞的各种区间。不同的机制确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，才能参与细胞的各种生命活动。本讲我们将进一步讨论内质网和高尔基体相关的膜泡运输。

细胞内膜系统各个部分之间的物质传递常通过膜泡运输方式进行。如从内质网到高尔基体；高尔基体到溶酶体；细胞分泌物的外排，都要通过过渡性小泡进行转运。膜泡运输是一种高度组织的定向运输，各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要是因为细胞器的胞质面具有特殊的膜标志蛋白。许多膜标志蛋白存在于不止一种细胞器，可见不同的膜标志蛋白组合，决定膜的表面识别特征。

蛋白质分泌和内吞途径概观。内吞和分泌途径分别用绿色和红色箭头表示，蓝色箭头表示回流路径。在分泌通路中，蛋白质分子从ER转运到质膜，或者(通过内吞体)到溶酶体。在内吞途径中，分子从质膜被吞入囊泡，运送到早期内吞体，然后(通过晚期内吞体)被运送到溶酶体。

细胞依赖有效而精密的机制，确保在糙面内质网合成的各种蛋白经过加工，在高尔基体TGN通过形成不同的转运膜泡，以不同的途径被分选、运输，各就各位，在特定时间和位点发挥其特定功能。膜泡运输是蛋白质分选的一种特有的方式，普遍存在于真核细胞中。在转运过程中不仅涉及蛋白质本身的修饰、加工和组装，还涉及多种不同膜泡靶向运输及其复杂的调控过程。

网格蛋白形成笼状结构，帮助膜形成囊泡。

细胞内膜泡运输需要多种转运膜泡参与，大多数运输小泡是在膜的特定区域以出芽的方式产生的。其表面具有一个笼状的由蛋白质构成的衣被（coat）。这种衣被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。衣被具有两个主要作用： ①选择性的将特定蛋白聚集在一起，形成运输小泡；②如同模具一样决定运输小泡的外部特征，相同性质的运输小泡之所以具有相同的形状和体积，与衣被蛋白的组成有关。已知三类具有代表性的衣被蛋白，即：网格蛋白/笼形蛋白（clathrin）、COPI 和 COPII，各介导不同的运输途径。

囊泡运输过程中不同衣被蛋白的使用

根据转运膜泡表面包被蛋白的不同，也分3种类型：COPⅡ (coat proteinⅡ)包被膜泡、COPI (coatprotein I)包被膜泡和网格蛋白/适配蛋白(clathrin/adaptor protein)包被膜泡。

网格蛋白包覆的囊泡有几种类型，每种都专门用于不同的运输步骤，COPI 和 COPII 包覆的囊泡可能也有类似的多样性。例如，网格蛋白包覆的囊泡介导从高尔基体和质膜的转运（上图绿色），而COPI （红色）和COPII （蓝色）包覆的囊泡常介导ER和高尔基间的转运。

蛋白转运中涉及的衣被囊泡及其特征比较

1. 网格蛋白衣被小泡的组分及其形成

网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，网格蛋白分子由 3 个重链和 3 个轻链组成，形成具有 3 个曲臂的形状（triskelion）。网格蛋白的曲臂部分交织在一起，形成具有网孔的笼子。网格蛋白衣被小泡介导高尔基体到内吞体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。

每个网格蛋白三支链由三个网格蛋白重链和三个网格蛋白轻链组成，36个三叉体组成12个五边形和6个六边形的网格蛋白被膜，轻链与肌动蛋白细胞骨架相连接，产生细胞膜出芽和囊泡运动的力，磷酸化调节网格蛋白的组装。牛脑网格蛋白(最右侧)构造类似但不太规则，由五角形、更多的六角形，有时甚至是七角形。

网格蛋白形成的衣被中还有衔接蛋白/适配蛋白（adaptin），它介于网格蛋白与配体受体复合物之间，起连接作用。目前至少发现 3 种不同类型的衔接蛋白，可分别结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡，如 AP1 参与高尔基体→内吞体的运输、 AP2 参与质膜→内吞体的运输、 AP3 参与高尔基体→溶酶体的运输。

不同类型的衔接蛋白结合不同类型的受体，形成不同性质的转运小泡，运输到不同的目的地。

当网格蛋白衣被小泡形成时，动力蛋白（dynamin）聚集成一圈围绕在颈部，将小泡柄部的膜尽可能地拉近（小于 1.5nm），从而导致膜融合， 掐断（pinch off）衣被小泡。动力蛋白是一种 GTP 酶，调节小泡以出芽形式脱离膜的速率。动力素可以召集其它可溶性蛋白在小泡的颈部聚集，通过改变膜的形状和膜脂的组成，促使小跑颈部的膜融合，形成衣被小泡。

网格蛋白分子(深绿色)结合到小泡表面，将曲率引入膜中帮助出芽。适配蛋白（浅绿色）结合网格蛋白三叉支链和膜的货物受体(蓝色)，介导膜和可溶货物分子的选择性招募。动态蛋白聚集在小泡的颈，组装完毕后水解GTP，在颈部的其他蛋白质(未显示)的帮助下，将囊泡掐掉。出芽完成后，被膜蛋白被去除。

2. COPI 衣被小泡的组分及其形成

COPI 衣被小泡起初发现于高尔基体碎片，在含有 ATP 的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。COPI 衣被小泡介导细胞内膜泡逆向运输，负责回收、转运内质网逃逸蛋白（escaped proteins）返回内质网，包括再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白。

内质网向高尔基体输送运输小泡时，一部分自身的蛋白质也不可避免的被运送到了高尔基体，如不进行回收则内质网因为磷脂和某些蛋白质的匮乏而停止工作。内质网通过两种机制维持蛋白质的平衡：一是转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，例如有些驻留蛋白参与形成大的复合物，因而不能被包装在出芽形成的转运泡中，结果被保留下来；二是通过对逃逸蛋白的回收机制，使之返回它们正常驻留的部位。

不同类型的膜泡转运

内质网的正常驻留蛋白，不管在腔中还是在膜上，它们在 C 端含有一段回收信号序列（retrieval signals），如果它们被意外地逃逸进入转运泡从内质网运至高尔基体顺面（CGN），则CGN区的膜结合受体蛋白将识别并结合逃逸蛋白的回收信号，形成 COPI 衣被小泡将它们返回内质网。

已知蛋白质包装到特异膜泡的转运信号

膜泡运输既能转运膜结合的蛋白，又能通过膜受体识别并转运可溶性蛋白，其包装特异性取决于被转运蛋白的靶向分选序列(上表)，以区分哪些膜蛋白或可溶性蛋白将被进一步包装转运，哪些将作为驻留蛋白而被排除在外。内质网腔中的可溶性蛋白，如蛋白二巯键异构酶和协助折叠的分子伴侣，均具有典型的KDEL回收信号。如果一个内质网的蛋白缺乏KDEL序列，那么这种蛋白将不能返回内质网，而是被转运膜泡带到质膜。相反，如果通过基因重组方法使表达的溶酶体蛋白或分泌蛋白在C端含有一段附加的KDEL序列，那么这种蛋白将返回内质网，而不是被转运至溶酶体或分泌泡。内质网的膜蛋白如SRP受体，在C端有一个不同的回收信号，通常是KKXX(K- -lysine，X-任意氨基酸)，识别并结合该信号的受体是包被蛋白的 COP I α 和β 亚基，从而促进它们返回到ER。

这种通过回收信号所介导的回收机制有利于防止内质网腔蛋白(如用于新合成分泌蛋白正确折叠所需要的分子伴侣蛋白)的损失。在生物合成途径中，每种膜组分也许都具有它自身独特的回收信号，所以任凭转运膜泡在特定空间不断运动，但每种细胞器仍可保持它独特的蛋白质组分。

3. COPII 衣被小泡的组分及其形成

COPII 包被膜泡介导细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。COPII 包被由下列蛋白组分形成：小分子GTP结合蛋白Sar1、Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物以及大的纤维蛋白Sec16。

Sar1与 Sec23/Sec24复合体结合在一起，形成紧紧包围着膜的一层衣被，Sec13/Sec31 复合体形成覆盖在外围的一层衣被，Sec16 推测可能是一种骨架蛋白，Sec12 是 Sar1 的鸟苷酸交换因子。在实验条件下，纯化的 Sar1、Sec23/Sec24、 Sec13/Sec31 等 5 种成分足以在人工脂质体上形成小泡，说明这些成分具有改变膜的形状和掐断运输小泡的功能。

COPII包膜小泡的装配过程。COPII 膜泡由下列蛋白组分形成：小分子GTP结合蛋白Sar1、Sec23/Sec24复合物、Sec13/Sec31复合物以及大的纤维蛋白Sec16。

COPII 衣被小泡形成于内质网的特殊部位，称为内质网出口（exit sites），这些部位没有核糖体，由交织在一起的管道和囊泡组成网络结构。膜泡是通过胞质可溶性COPII 包被蛋白在供体膜(ER膜)出芽时聚合形成的，包被装配的聚合过程受小分子GTP结合蛋白Sar1调控，Sar1隶属 GTPase超家族成员，通过GDP-Sar1/GTP-Sar1的转换，起分子开关调控作用。

膜蛋白通过出口信号与COPII 被膜的适配蛋白互作，被包装成出芽囊泡。一些膜蛋白作为货物受体，与内质网可溶性蛋白结合帮助其包装。其他蛋白质可通过体积流进入囊泡。一个典型的50nm运输囊泡含有大约200种膜蛋白，有许多不同的类型。未完全组装的未折叠蛋白与伴侣蛋白结合，并暂时保留在ER室中。

衣被召集GTP酶对衣被的形成其动态调节作用，当多数衣被召集GTP酶处于结合GTP的状态时，它催化衣被的形成；反之当多数衣被召集GTP酶处于结合GDP的状态时，它催化衣被的解体。因此衣被的形成过程是边形成便解体的动态过程，只有在组装速率大于解体速率时，才能形成衣被小泡。

由内质网到高尔基体的蛋白转运中， 大多数跨膜蛋白是直接结合在COPII 衣被上，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COPII 衣被结合，这些受体在完成转运后，通过COPI 衣被小泡返回内质网。COPII 衣被所识别的分选信号位于跨膜蛋白胞质面的结构域形式多样，有些包含双酸性基序[DE]X[DE]（D为Asp，E为Glu，X 为任何一种氨基酸），如 Asp-X-Glu序列，其他一些具有短的疏水基序，如 FF、YYM、 FY、LL、 IL 等等（其中F为Phe，Y为Tyr，M为Met，L为Leu，I为Ile）。

本讲我们概述了3种不同类型膜泡的基本组成和形成过程，下一讲我们将介绍膜泡形成以后的定向运输和胞吞胞吐。

参考文献

  1. Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Essential cell biology_4th Edition.
  2. Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molecular Biology of THE CELL_6th Edition.
  3. 翟中和,王喜忠,丁明孝. 细胞生物学(第4版), 高等教育出版社, 2011
  4. 田润刚. 细胞生物学教程, 绍兴文理学院生物科学系网络教材, 2004
  5. Gomez-Navarro N , Miller E . Protein sorting at the ER–Golgi interface[J]. The Journal of Cell Biology, 2016:jcb.201610031.
  6. Guo Y , Sirkis D W , Schekman R . Protein Sorting at the trans -Golgi Network[J]. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 2014, 30(1).

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：鑫波和他的小鱼干

【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载