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    我国科学家在细胞囊泡转运调控机制领域取得重要进展

    日期 2018-01-22   来源:生命科学部   作者:王璞玥 杨正宗 杜生明  【 】   【打印】   【关闭

    图. 近原子分辨率揭示Exocyst的八个蛋白逐步组成复合体的过程

      在国家自然科学基金重点项目(项目编号:31530018)等资助下,清华大学王宏伟课题组在细胞囊泡转运调控机制领域取得突破进展,以近原子分辨率解析了囊泡转运蛋白复合体Exocyst的结构及其装配方式,并提出了一种囊泡锚定细胞膜的调控假说。研究成果以“Cryo-EM Structure of the Exocyst Complex”(Exocyst复合物的单颗粒冷冻电镜结构)为题,于2018年1月15日在Nature Structural & Molecular Biology(《自然-结构与分子生物学》)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41594-017-0016-2。

      真核生物细胞内蛋白质、脂类等“大型货物”的运输,被生物膜这道屏障天然阻隔。上个世纪60年代,科学家开始认识到细胞内存在一套有条不紊的“物流系统”,即囊泡转运。所谓的囊泡是由单层膜形成的闭合结构,主要负责细胞内由膜系统包被的不同细胞器之间的物质运输、信息传递等。囊泡能够以出芽的方式脱离转运起点,以膜融合的方式进入转运终点。由包裹“大型货物”的囊泡、转运复合体、动力蛋白、微管、肌动蛋白纤维和调节分子等参与的过程通常被形象地称为细胞内的“物流系统”。在这个复杂而又精细的囊泡转运过程中,细胞内囊泡分选和转运及其动态调控和功能的过程是细胞生物学的重要前沿。

      在囊泡和细胞膜实现融合之前,囊泡需要被特定的分子机制识别并拉拢靠近细胞质膜,这一被“拉近”的过程即为“锚定”。Exocyst 复合体是控制分泌囊泡锚定到细胞质膜的一个蛋白八聚体。它通过不同亚基与囊泡和细胞质膜的分别作用,把囊泡栓系到细胞质膜,并促进其融合,这个过程最终使囊泡转运的货物如蛋白质和磷脂等融合到细胞质膜上或分泌到细胞外,从而影响一系列的重要细胞活动,包括细胞极性的建立、细胞生长、细胞间通讯等。

      Exocyst复合体是多亚基系连蛋白复合物(Multiple tethering complex, MTC)的一种。多亚基系连蛋白复合物主要负责将细胞内的运输囊泡捕获至特定的靶膜,随后发生膜融合。对于多亚基系连蛋白复合物,在过去的二十年里,研究人员通过各种结构生物学手段和技术来研究它们,希望能了解该类复合体发挥功能的分子机制,但是高分辨率完整的三维结构却一直未被破解。

      王宏伟课题组和美国宾夕法尼亚大学GUO Wei教授课题组、北京生命科学研究所董梦秋研究员课题组等合作,用单颗粒冷冻电镜技术(Cryo-EM)和化学交联质谱技术(CXMS)相结合搭建了该复合体的大致原子模型,平均分辨率为4.4埃(Å)。他们发现,Exocyst的八个蛋白组分中,每两个蛋白亚基会通过一个类似“拉链”的结构联成一对;每两对之间又形成一个四股螺旋束,形成一个层级式的装配方式。最后分别由四个亚基组成的亚复合体 I 和 亚复合体 II像两个手掌一样合起来形成了八个亚基的完整复合体。结合生物化学和细胞生物学实验提示的结果,他们提出假说:在所有的八个蛋白质亚基中,关键在于Sec3蛋白;Sec3可能是一个结合到细胞质膜上的蛋白,剩下的七个蛋白位于囊泡上面,Sec3和其它七个蛋白之间存在特异性的识别并进行装配,在这个识别、装配的过程当中,囊泡被“拉到”了细胞质膜表面。

      Exocyst八聚体是多亚基系连复合体中的一种,这项工作结合单颗粒冷冻电镜技术(Cryo-EM)和化学交联质谱技术(CXMS)而得到近原子分辨率的结构解析,是首次“看”到此类复合体的多个亚基如何装配成整个复合体,从而实现分泌囊泡和细胞质膜之间的锚定和结合。而进一步联合生物化学、细胞生物学研究所提出的调控作用假说,不仅对于更深入理解分泌囊泡与细胞膜之间的栓系机制有重要意义,也对其他细胞内膜系统间的囊泡转运和锚定机制提供了重要信息。以此为基础,研究人员将可能进一步深入探讨,在整个囊泡转运过程中的不同阶段,exocyst复合体和囊泡的相互作用、和细胞质膜的相互作用,以及在锚定过程中受到其它蛋白调控后不同的状态等科学问题。




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