细胞骨架蛋白调节囊泡转运及其与神经疾病的关系

细胞内囊泡转运依赖于细胞骨架系统,细胞骨架为囊泡转运提供了轨道,而细胞骨架表面的马达蛋白则为其提供了动力。近年来,随着活细胞成像技术以及相关的生化、药理实验方法的不断进步,人们对囊泡转运的分子机制有了更加深入的认识。越来越多的实验结果表明,细胞骨架蛋白对囊泡转运有着重要的调节作用。囊泡转运的紊乱与多种神经疾病相关。囊泡转运分子调控机制的研究,将为多种神经疾病的治疗提供新的思路。     

解析细胞内的运输密码

<正>2013年,诺贝尔生理学或医学奖颁给了研究"囊泡运输机制"的科学家,这一标志性事件使囊泡运输的分子细胞机制受到更多的关注。与城市的交通运输系统相比较,细胞内的物质运输系统远比人们想象的要复杂得多(见本期封面),所受到的调控也要精细得多。细胞内如此繁忙的物质运输系统,如何确保其忙而不乱,在特定的时空中完成货物的装卸和精准投送,这正是生命的精美(beauty of life)     

Rab蛋白在囊泡转运中的作用及影响

Rab蛋白是真核生物中保守的小GTP酶家族. Rab蛋白在细胞中普遍表达,它的活性在细胞内受到严格的调控:在活性形式Rab-GTP和无活性形式Rab-GDP之间转换,这是由鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEFs)和GTP酶活化蛋白(GAPs)调控的,并在囊泡转运的调控中起分子开关的作用.在囊泡运输中, Rab蛋白与不同的下游效应分子相互作用,参与从供体膜选择货物、出芽形成囊泡、调控囊泡沿细胞骨架运动、囊泡与受体膜锚定融合.当Rab蛋白功能受损导致囊泡转运途径障碍时,则会表现出不同的疾病,包括神经退行性疾病、癌症等.本文将对近年来Rab的蛋白结构和功能、参与囊泡运输的分子机制、Rab蛋白的循环调控以及其异常导致的疾病进行综述.     

囊泡运输的分子细胞机制

内膜系统构成了细胞及细胞器之间的天然屏障,保证重要的生命活动在相对独立的空间内进行。细胞内膜性细胞器之间的物质(如蛋白质、脂类)的运输主要是通过囊泡完成的。囊泡运输需要货物分子、运输复合体、动力蛋白和微管等的参与以及多种分子的调节,包括出芽、锚定和融合等过程。从上世纪60年代开始,人们认识到细胞分泌的蛋白需要先进入内质网,再到高尔基体,然后分泌到其作用部位。之后,信号肽假说被提出和证明。随后的研究完善了囊泡运输的过程,包括经内质网到高尔基体的蛋白质分泌运输过程中关键的调控基因及其作用环节、蛋白质复合物SNARE(可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白附着蛋白受体)在囊泡锚定和融合中的作用机制等。在囊泡运输中的具有代表性的神经细胞突触囊泡中,触发突触囊泡融合的钙感受器(synaptotagmin)能快速准确地将钙信号传递到突触囊泡,通过与SNARE复合体等作用,实现与细胞膜融合并释放神经递质,最终完成神经信息的传递。该文从囊泡运输的研究历史回顾、已有研究成果以及未来展望等三个方面对囊泡运输分子细胞机制进行了阐述。     

Rab蛋白的结构、功能及进化

Rab蛋白是小分子GTP结合蛋白家族(small GTP-binding proteins)中最大的亚家族,大约由200个氨基酸组成,由保守的G结构域与高度可变的N端和C端组成。Rab蛋白作为细胞内囊泡运输的分子开关,与其上游调控子和下游特定的效应子相互作用,并与GTP的结合和水解过程相偶联,在囊泡运输的不同阶段发挥作用。对不同Rab蛋白调控囊泡运输的研究有利干全面理解细胞内各类囊泡定向运输的分子动力学机制。     

细胞内胆固醇运输

作为生物膜的重要成分,细胞内不同膜上胆固醇含量的高低直接影响生物膜的生物物理特性和细胞信号的传递,与细胞正常的生理功能密切相关。外源内吞的胆固醇和内源合成的胆固醇通过囊泡介导和非囊泡介导的胆固醇运输途径在不同细胞膜之间转运,从而维持了不同细胞器上胆固醇的浓度梯度。一系列胆固醇结合和转运蛋白在细胞内胆固醇的运输中发挥了重要作用。本文旨在总结细胞内胆固醇运输途径与参与胆固醇运输的重要分子及相关作用机制。     

2013年诺贝尔生理学或医学奖

三位2013年诺奖得主解开了细胞如何管理内部运输系统的秘密。每一个细胞都是一个生产和外运分子的工厂。例如,胰岛素被生产和释放入血,神经递质从一个神经细胞释放传递到另一个。这些分子以囊泡的形式被运输到细胞外部。这三位诺奖得主发现了控制这些细胞内囊泡被按时运输到目的地的分子机理。     

囊泡转运中的Rab小G蛋白与马达分子

Rab是小分子GTP结合蛋白Ras超家族中最大的亚家族,在囊泡运输的不同阶段发挥着调节作用.在与GTP结合后,Rab可募集特异的效应蛋白到膜上.近来发现,许多Rab可募集与微管和肌动蛋白相关的马达分子到靶膜,从而调节相应囊泡的转运.Rab所具有的分子开关特性,使其可在空间和时间上对囊泡转运进行调控.     

调控细胞内囊泡运输机器的发现者——2013年诺贝尔生理学或医学奖简介

2013年10月7日,瑞典卡罗琳学院诺贝尔奖评选委员会宣布,2013年诺贝尔生理学或医学奖授予发现调控细胞内囊泡运输机器的3位生物学家:美国加州大学伯克利分校的兰迪·谢克曼、耶鲁大学的詹姆斯·罗斯曼和斯坦福大学的托马斯·苏德霍夫。就3位科学家分别运用遗传学、生物化学和神经生物学等研究手段,发现了细胞内控制货物分子经囊泡运输的路径选择、目的地识别和卸载时间精确调控的代表性工作进行简要介绍。     

COPⅠ囊泡形成与结构研究进展

真核细胞内物质的转运主要通过运输囊泡的出芽、融合所介导。外被体蛋白Ⅰ(coat proteinⅠ,COPⅠ)是一种由α、β、β'、γ、δ、ε、ζ亚基组成的异七聚体蛋白质复合物(即coatomer)。细胞内具有小GTP酶活性的ADP-核糖化因子1(ADP-ribosylation factor 1, Arf1)调节COPⅠ囊泡(COPⅠ-coated vesicle)的形成。在鸟苷酸交换因子的作用下,活化的Arf1-GTP结合至高尔基复合体(Golgiapparatus,Golgi)膜上,将胞质中的COPⅠ募集到膜上。COPⅠ在膜表面结合、分选货物、聚合装配,使膜弯曲产生包被的出芽,出芽逐渐增长最终与膜分离形成囊泡。COPⅠ囊泡进一步脱壳、与靶膜融合,进而完成对细胞内物质的转运。COPⅠ囊泡可携带蛋白质和脂质等货物分子从Golgi逆向转运至内质网(endoplasmic reticulum, ER),并介导Golgi膜囊间物质的逆向和正向运输过程,维持Golgi结构的极性与膜囊的成熟。     

Rab蛋白家族在神经类疾病中的作用

细胞内膜囊泡运输是一个复杂的通路网络,Rab GTPases是膜囊泡运输的主要调节剂,通常被认为是细胞内吞和分泌系统中各种细胞器和囊泡的特异性标记和识别物。与Rab蛋白相关的轴突运输、内体运输发生障碍是造成神经退行性疾病的重要原因之一。本文主要介绍了Rab蛋白在多种神经退行性疾病病理机制中的作用机理与调控机制,同时讨论了线粒体和胶质细胞功能异常与Rab蛋白之间的关联。深入探究Rab蛋白的作用机制对人类神经性疾病的早期诊断和治疗具有潜在的指导意义。     

Rab蛋白在葡萄糖转运中的作用

在脂肪和骨骼肌细胞中,胰岛素可迅速刺激葡萄糖转运,即通常所说的GLUT4转运。 GLUT4转运是指Rabs与GTP结合时,促进囊泡与微管和微丝蛋白结合,并通过锚定和融合作用使GLUT4囊泡与目标膜结构融合。多数 Rab 家族成员广泛表达于各种组织细胞中,且在细胞内定位十分广泛,几乎存在于真核细胞所有的膜相关的细胞器的胞浆侧。 Rab 蛋白作为囊泡运输的分子开关,通过调节运输小泡的停泊和融合,在囊泡的形成、转运、粘附、锚定、融合等过程中起着重要的作用。 Rab蛋白受到多种上游调节蛋白的调节,同时调控着下游的多种效应蛋白,构成了复杂的调控网络：任何一个环节改变都可能会导致蛋白质转运的异常,进而引发疾病。本文系统阐述了Rab蛋白在葡萄糖转运过程中的作用及该领域的最新进展。     

植物囊泡运输与抗病性

细胞内的囊泡运输是生命活动中一个极其复杂的动态生物学过程,参与各种植物发育过程和对环境的响应,包括植物组织细胞特异性和防御响应。该文从蛋白质分选、分泌蛋白的合成和囊泡运输的特异性对植物囊泡运输与植物的先天性免疫的关系进行了详细阐述。     

植物囊泡运输与抗病性

细胞内的囊泡运输是生命活动中一个极其复杂的动态生物学过程,参与各种植物发育过程和对环境的响应,包括植物组织细胞特异性和防御响应。该文从蛋白质分选、分泌蛋白的合成和囊泡运输的特异性对植物囊泡运输与植物的先天性免疫的关系进行了详细阐述。     

拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能

高等植物细胞含有复杂的内膜系统,通过其特有的膜泡运输机制来完成细胞内和细胞间的物质交流。膜泡运输主要包括运输囊泡的出芽、定向移动、拴留和膜融合4个过程。这4个过程受到许多因子的调控,如Coat、SM、Tether、SNARE和Rab蛋白等,其中SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能。SNARE因子是小分子跨膜蛋白,分为定位于运输囊泡上的v-SNARE和定位于靶位膜上的t-SNARE,两类SNARE结合形成SNARE复合体,促进膜融合的发生。SNARE蛋白在调控植物体生长发育以及对外界环境响应等生理过程中起重要作用。该文对模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）SNARE因子的最新细胞内定位和功能分析等研究进展进行了概述。     

拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能

高等植物细胞含有复杂的内膜系统, 通过其特有的膜泡运输机制来完成细胞内和细胞间的物质交流。膜泡运输主要包括运输囊泡的出芽、定向移动、拴留和膜融合4个过程。这4个过程受到许多因子的调控, 如Coat、SM、Tether、SNARE和Rab蛋白等, 其中SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能。SNARE因子是小分子跨膜蛋白, 分为定位于运输囊泡上的v-SNARE和定位于靶位膜上的t-SNARE, 两类SNARE结合形成SNARE复合体, 促进膜融合的发生。SNARE蛋白在调控植物体生长发育以及对外界环境响应等生理过程中起重要作用。该文对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)SNARE因子的最新细胞内定位和功能分析等研究进展进行了概述。     

囊泡运输的功能与调控机制

真核细胞通过区隔化形成各种细胞器,这些膜状结构和细胞质膜共同构成了复杂的生物膜系统。细胞质膜和细胞器之间以及细胞器之间大量的物质和信息交流构成了细胞生命活动的基础。由马达蛋白驱动的囊泡运输是细胞内物质运输的主要形式,囊泡运输的调控机制是细胞生物学领域的重大科学问题。该文重点总结了近年来基于微管轨道的囊泡运输领域中关于马达蛋白kinesin和cytoplasmic dynein的货物识别机制、货物卸载机制的研究进展,并对马达蛋白对于微管轨道的识别机制进行了初步探讨。此外,该文还总结了囊泡运输与人类疾病之间的关系。     

PC12活细胞中单个分泌囊泡的动态成像

囊泡的荧光标记和动态显微成像观察是研究蛋白质和膜转运机制的重要手段。采用EGFP hpNPY融合荧光蛋白标记PC12细胞的致密大囊泡 ,用全内反射和宽场荧光显微镜对PC12细胞进行成像研究。结果发现 :普通的宽场荧光成像模糊不清 ,难以观察到单个囊泡 ;而全内反射荧光成像则可清晰地分辨出呈现为离散荧光点的单个囊泡 ;并且进一步利用全内反射荧光成像直接观察到了活的PC12细胞中单个囊泡的转运、锚定及与细胞膜的融合过程 ,证实了囊泡的锚定过程是可逆的。     

病原DNA识别及其诱导天然免疫调节机制研究进展

机体天然免疫系统拥有一系列可以探测和抵制微生物侵袭的机制.目前,关于病原RNA的细胞内识别机制有了较为深入的研究和相关报道,但细胞内病原DNA的识别和相应的天然免疫应答机制仍未完全被揭示.阐明上述机制有助于了解和治疗一系列微生物感染相关的疾病,包括病毒和细菌感染类疾病、病毒相关的肿瘤、自身免疫性疾病等.近年来,细胞内多个充当"DNA传感器"的分子和干扰素调节分子被认为在细胞质DNA诱导宿主天然免疫反应过程中起着关键性调节作用.综述了对细胞内病原DNA的主要识别分子、信号通路以及相关的天然免疫调控机制.     

SM蛋白在膜泡运输中的功能

大多数细胞内都包含靶向不同细胞器的各种运输囊泡,其运输机制在进化上是高度保守的。Sec1/Munc-18(SM)蛋白在膜泡运输中起着重要的调控作用,它能够与SNARE(Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factorattachment protein receptor)蛋白结合,共同在细胞内各个膜融合发生部位发挥重要作用。SM蛋白和SNARE复合体中的Syntaxin蛋白结合,调节SNARE复合体的装配,并与SNARE协同作用促进整个膜融合过程。文章对SM蛋白在结构和功能分析方面的最新研究进展进行了概述。