真核生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、脂類等“大型貨物”的運(yùn)輸，被生物膜這道屏障天然阻隔。上個(gè)世紀(jì)60年代，科學(xué)家開(kāi)始認(rèn)識(shí)到細(xì)胞內(nèi)存在一套有條不紊的“物流系統(tǒng)”，即囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)。作為細(xì)胞生命活動(dòng)的基本過(guò)程，囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)很快成為諾貝爾獎(jiǎng)熱門(mén)領(lǐng)域，1974年至今已累計(jì)五次與之相關(guān)。

“但是到今天為止，細(xì)胞內(nèi)囊泡的功能、分選和轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程、動(dòng)態(tài)調(diào)控的過(guò)程等，仍然還有很多未解之謎。對(duì)囊泡的一系列研究仍然是現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)很重要的熱點(diǎn)，很多新的發(fā)現(xiàn)也還在不斷地被做出來(lái)?！鼻迦A大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)王宏偉教授在接受澎湃新聞（www.6773257.com）采訪時(shí)如此評(píng)價(jià)復(fù)雜而又精細(xì)的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。

北京時(shí)間1月16日凌晨，王宏偉作為通訊作者的一篇最新成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）子刊《自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）。這一最新成果正是和囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)解析了該過(guò)程中一種重要蛋白復(fù)合體Exocyst的結(jié)構(gòu)及其裝配方式，平均分辨率為4.4埃（?），同時(shí)提出了一種囊泡錨定細(xì)胞膜的調(diào)控假說(shuō)。

該論文的另一通訊作者賓夕法尼亞大學(xué)文理學(xué)院生物學(xué)系教授郭巍對(duì)澎湃新聞（www.6773257.com）表示，“Exocyst 復(fù)合體是控制分泌囊泡錨定到細(xì)胞質(zhì)膜的一個(gè)蛋白八聚體。它通過(guò)不同亞基與囊泡和細(xì)胞質(zhì)膜的分別作用，把囊泡栓系到細(xì)胞質(zhì)膜，并促進(jìn)其融合，這個(gè)過(guò)程最終使囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的貨物如蛋白質(zhì)和磷脂等融合到細(xì)胞質(zhì)膜上或分泌到細(xì)胞外，從而影響一系列的細(xì)胞活動(dòng)，包括細(xì)胞極性的建立、細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞間通訊等。”

郭巍還表示 “Exocyst只是多亞基系連復(fù)合體中的一種，這次近原子分辨率的結(jié)構(gòu)解析和模型搭建不僅對(duì)于我們理解分泌囊泡與細(xì)胞膜之間的栓系機(jī)制有重要意義，也對(duì)其他細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)間的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和錨定機(jī)制提供了重要信息?！?/p>

據(jù)王宏偉介紹，該項(xiàng)研究工作前后歷時(shí)三年，主要參與人員還包括賓夕法尼亞大學(xué)的博士后梅坤榮、清華大學(xué)的博士研究生黎艷等人。另外，北京生命科學(xué)研究所高級(jí)研究員董夢(mèng)秋和她領(lǐng)導(dǎo)的小組也做出了關(guān)鍵的技術(shù)貢獻(xiàn)。

未知的“拉近”過(guò)程

所謂的囊泡是由單層膜形成的閉合結(jié)構(gòu)，大小從幾十納米到數(shù)百納米不等，主要負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)由膜包被的不同細(xì)胞器之間的物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞等。

囊泡能夠以出芽的方式脫離轉(zhuǎn)運(yùn)起點(diǎn)，以膜融合的方式進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)終點(diǎn)。由包裹“大型貨物”的囊泡、轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體、動(dòng)力蛋白、微管、肌動(dòng)蛋白纖維和調(diào)節(jié)分子等參與的過(guò)程通常被形象地稱為細(xì)胞內(nèi)的“物流系統(tǒng)”。

其中，在囊泡和細(xì)胞膜實(shí)現(xiàn)融合之前，囊泡需要被特定的分子機(jī)制識(shí)別并拉攏靠近細(xì)胞質(zhì)膜，這一被“拉近”的過(guò)程即為“錨定”。

王宏偉介紹，“在分泌囊泡裝運(yùn)過(guò)程中，囊泡被動(dòng)力蛋白通過(guò)微管和肌動(dòng)蛋白纖維運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜附近，然后通過(guò)一定的分子機(jī)制融合到細(xì)胞質(zhì)膜上，從而把其中運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)吐到細(xì)胞膜上或細(xì)胞外。在SNARE介導(dǎo)膜融合之前，分泌囊泡需要錨定到細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)，Exocyst復(fù)合體在這個(gè)錨定的過(guò)程中發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用?！?/p>

Exocyst復(fù)合體是多亞基系連蛋白復(fù)合物（MTCs）的一種。多亞基系連蛋白復(fù)合物主要負(fù)責(zé)將細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸囊泡捕獲至特定的靶膜，隨后發(fā)生膜融合。Exocyst復(fù)合物首先是在釀酒酵母中被分離發(fā)現(xiàn)，包含Sec3、Sec5、Sec6、Sec8、Sec10、Sec15、Exo70和 Exo84八個(gè)亞基。

實(shí)際上，在王宏偉及其合作團(tuán)隊(duì)此番工作之前，也有其他學(xué)者致力于多亞基蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析。

王宏偉表示，“對(duì)于多亞基系連蛋白復(fù)合物，在過(guò)去的二十年里，大家通過(guò)各種結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段和技術(shù)來(lái)研究它們，希望能了解該類復(fù)合體發(fā)揮功能的分子機(jī)制。比較早期的時(shí)候，研究人員利用低分辨率的電子顯微鏡來(lái)獲得復(fù)合體大致的形狀，也有一些團(tuán)隊(duì)把某些蛋白質(zhì)亞基的一小部分取出來(lái)，利用X射線晶體學(xué)的技術(shù)來(lái)解析它們的結(jié)構(gòu)。最近隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，雖然不斷的有團(tuán)隊(duì)報(bào)道這類復(fù)合體的二維結(jié)構(gòu)，其完整的三維結(jié)構(gòu)卻一直未被破解。”

“然而，對(duì)于闡釋機(jī)制更關(guān)鍵的一點(diǎn)，也就是Exocyst的八個(gè)蛋白質(zhì)亞基如何裝配到一起，以及如何實(shí)現(xiàn)錨定，這些都還是不清楚?！蓖鹾陚シQ，“我們這項(xiàng)研究用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)（cryo-EM）和化學(xué)交聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)（CXMS）相結(jié)合搭建了該復(fù)合體的大致原子模型，是首次看到它的八個(gè)亞基如何裝配成整個(gè)復(fù)合體，從而實(shí)現(xiàn)分泌囊泡和細(xì)胞質(zhì)膜之間的錨定?！?/p>

配對(duì)“拉鏈”和關(guān)鍵的Sec3

首次解析出來(lái)的Exocyst復(fù)合體的八個(gè)亞基究竟如何實(shí)現(xiàn)裝配？

“每?jī)蓚€(gè)蛋白亞基會(huì)通過(guò)一個(gè)類似“拉鏈”的結(jié)構(gòu)聯(lián)成一對(duì)；每?jī)蓪?duì)之間又形成一個(gè)四股螺旋束，形成一個(gè)層級(jí)式的裝配方式。最后分別由四個(gè)亞基組成的亞復(fù)合體 I 和 亞復(fù)合體 II像兩個(gè)手掌一樣合起來(lái)形成了八個(gè)亞基的完整復(fù)合體。”

王宏偉提到，在所有的八個(gè)蛋白質(zhì)亞基中，關(guān)鍵在于Sec3蛋白。

“一些生化試驗(yàn)已經(jīng)表明，Sec3可能是一個(gè)結(jié)合到細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白，剩下的七個(gè)蛋白位于囊泡上面，Sec3和其它七個(gè)蛋白之間存在特異性的識(shí)別并進(jìn)行裝配。在這個(gè)識(shí)別、裝配的過(guò)程當(dāng)中，囊泡就被“拉到”了細(xì)胞質(zhì)膜表面?！?/p>

王宏偉強(qiáng)調(diào)，“這是根據(jù)我們解析出的結(jié)構(gòu)所提出的一種假說(shuō)，針對(duì)這個(gè)假說(shuō)我們用酵母細(xì)胞做了一系列體內(nèi)的功能實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我們的假說(shuō)是一致的。”

當(dāng)然，在王宏偉及其研究團(tuán)隊(duì)眼中，這一最新搭建出的模型還不能稱得上是一個(gè)精細(xì)的模型?！斑@項(xiàng)研究工作只是剛剛開(kāi)始?！蓖鹾陚ヌ岬?，“我們會(huì)進(jìn)一步精修，比如通過(guò)進(jìn)一步提高我們復(fù)合體解析的分辨率把它的細(xì)節(jié)看得更清楚?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)還致力于更加“整體”和“動(dòng)態(tài)”。“我們真正希望看到的是，Exocyst復(fù)合體在整個(gè)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的不同階段，它和囊泡的相互作用、和細(xì)胞質(zhì)膜的相互作用，以及在錨定過(guò)程中受到其它蛋白調(diào)控后不同的狀態(tài)。在不同情況下它的結(jié)構(gòu)變化對(duì)于我們深入理解囊泡與細(xì)胞質(zhì)膜的錨定過(guò)程、進(jìn)一步融合的過(guò)程會(huì)提供更大的啟示?！?/p>