細胞內(nèi)COP囊泡轉(zhuǎn)運調(diào)控糖脂代謝的研究進展

李瑞茜 孫鈺婷 林雨山 潘玨宇 于夢帆 張媛媛 孫曉東△

（1四川大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)2017級本科生，四川 成都 610041；2 四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，四川 成都 610041）

1 COP囊泡的組裝過程和基本功能

COP囊泡介導(dǎo)的蛋白轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵步驟包括：招募特定的“貨物蛋白”并從從供體細胞器中釋放；新形成的囊泡被動地在細胞質(zhì)中擴散，或者沿細胞骨架進行定向轉(zhuǎn)運；載體的膜與目的細胞器膜融合，卸載貨物。一些標(biāo)志性的胞質(zhì)蛋白COP對于轉(zhuǎn)運的起始步驟至關(guān)重要，故用包被蛋白的名字為這種囊泡命名。根據(jù)包被蛋白的種類不同，又可以將COP囊泡分為外被體蛋白I（Coat protein I，COP I）和外被體蛋白II（Coat protein II，COP II）囊泡。

COP I復(fù)合物的組裝過程起始于鳥苷酸交換因子（Guanine nucleotide exchange factor，GEF）Gea1，Gea1介導(dǎo)Arf的GTP/GDP交換從而使Arf轉(zhuǎn)移到高爾基體膜上并定位，繼而招募外殼蛋白的七個亞基，衣殼蛋白采用替代構(gòu)象來調(diào)整與其相互作用的其他外殼的數(shù)量繼而調(diào)節(jié)囊泡的大小和形狀[1]。COP I復(fù)合物貨物的分選與轉(zhuǎn)運機制與KKXX二賴氨酸的運輸基序有關(guān)。攜帶有二賴氨酸基序的逆行貨物蛋白質(zhì)可以直接與COP I復(fù)合物結(jié)合，而在COP I復(fù)合物的外殼蛋白中，α-COP是KKXX最優(yōu)受體，β′-、?-COP也是能夠與KKXX結(jié)合的外殼蛋白；但是β-、γ-、ζ-COP與其他的p24結(jié)構(gòu)域結(jié)合而且還需要含有苯丙氨酸的基序，而苯丙氨酸基序可以作為順行轉(zhuǎn)運信號，所以外殼蛋白可以將逆向轉(zhuǎn)運和順向轉(zhuǎn)運貨物包裝成不同的COP囊泡[2]。膜曲率變化促進Arf的GTP酶激活蛋白的招募，Arf結(jié)合的GTP水解后COP I囊泡即從膜上脫離[3]。COP I囊泡主要介導(dǎo)逆向轉(zhuǎn)運和囊泡間運輸，同時促進高爾基體扁平囊泡的成熟，從而幫助糖脂代謝關(guān)鍵分子的分選、包裝并從順面高爾基體運送到不同目的地[4,5]。

COP II復(fù)合物的組裝過程與COPI類似，COP II復(fù)合體組裝起始于GEF蛋白Sec12，小GTP結(jié)合蛋白Sar1被招募到ER后，Sec12催化Sar1的GDP轉(zhuǎn)換為GTP，活化并暴露其N-端的α螺旋，插入到ER膜上后促使初始曲率的產(chǎn)生，同時招募Sec23/Sec24異源二聚體[6]。Sec23/Sec24異源二聚體呈蝴蝶結(jié)狀，空間結(jié)構(gòu)具有一個可協(xié)助ER膜彎曲塑形的凹形接觸面，并可引導(dǎo)貨物分子從ER進入囊泡[7]。Sar1/Sec23/Sec24和貨物形成的復(fù)合體被Sec13/Sec31異源四聚體捕獲，該異源四聚體形成囊泡的外包被同時維持膜的曲率并促進來自于ER的囊泡膜的縊斷[3]。GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein，GAP）Sec23催化Sar1的GTP水解為GDP，促進囊泡的縊斷。同時，Sar1的GTP水解同樣促使包被蛋白復(fù)合物的解聚[3]。經(jīng)由精密調(diào)控的組裝，COP II選擇性地將新合成的蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運輸至高爾基體或者內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間體（ER-Golgi intermediate compartment，ERGIC），完成分泌蛋白的折疊和糖基化等，通過順向轉(zhuǎn)運幫助糖脂代謝關(guān)鍵分子獲得生理活性[8]。

COP囊泡可根據(jù)細胞需求改變生物膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)大小、貨物轉(zhuǎn)運的方向，適應(yīng)運輸需求的COP II囊泡的曲率變化，使其在運輸較大或者形狀不規(guī)則的貨物時仍然可以保持較好的柔韌性與剛性[9]，Sar1B突變的腸上皮細胞不能有效調(diào)節(jié)COP II囊泡的直徑運輸乳糜微粒入血，造成乳糜微粒蓄積及脂質(zhì)吸收困難[10,11]。同時COP囊泡在不同的生理狀態(tài)下適應(yīng)體內(nèi)精細而復(fù)雜多變的能量和營養(yǎng)成分的需求變化。血清或生長因子可刺激哺乳動物細胞激活p38-MAPK通路，促進Sac1寡聚體的解聚和COP I囊泡介導(dǎo)的從高爾基體向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的轉(zhuǎn)運；而無血清條件下，哺乳動物細胞可見COP II囊泡將寡聚化的Sac1運送至高爾基體，下調(diào)高爾基體的PI4P水平及其分泌功能[12]。COP囊泡這些“因時而變，因勢而變”的特性使胞內(nèi)囊泡運輸可以協(xié)助細胞對外界刺激做出適應(yīng)性反應(yīng)，維持胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，因此與代謝響應(yīng)通路具有密切的聯(lián)系。

2 COP囊泡對糖代謝的調(diào)控

葡萄糖攝取是葡萄糖胞內(nèi)代謝的前提，也是降低內(nèi)環(huán)境血糖的主要細胞機制[13]。胰島素介導(dǎo)葡萄糖攝取，調(diào)控糖類與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)之間的物質(zhì)能量代謝。在胰島β細胞中，胰島素首先以前胰島素原的形式被翻譯出來，隨后被其N端的信號肽引導(dǎo)至ER，在那里它的A鏈和B鏈以二硫鍵相連，形成具有穩(wěn)定的3D構(gòu)型的胰島素原。胰島素原隨即被轉(zhuǎn)運至高爾基體，經(jīng)激素原轉(zhuǎn)化酶切去沒有作用的C肽，經(jīng)羧基肽酶E除去C端部分氨基酸，形成成熟的胰島素[14]?？梢哉f，囊泡對于胰島素的分泌是不可或缺的。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胰島β細胞MIN6中敲除COP II復(fù)合體的關(guān)鍵分子Sar1會導(dǎo)致胞內(nèi)COP II囊泡的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽障礙和胰島素原運輸障礙[15]。

葡萄糖攝取過程中另一個關(guān)鍵角色是人體內(nèi)的主要葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT4，它存在于脂肪組織和肌肉組織中，在維持機體內(nèi)葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT4被動態(tài)分選并保留在細胞內(nèi)，并通過胰島素調(diào)節(jié)的囊泡運輸（或“GLUT4轉(zhuǎn)位”）重新分配到質(zhì)膜（Plasma membrane，PM），其含量在囊泡和細胞膜之間處于動態(tài)平衡[16]。Rab蛋白作為胞內(nèi)膜運輸途徑的主要調(diào)控因子在GLUT4轉(zhuǎn)位中起重要功能。肌肉細胞中，胰島素誘導(dǎo)Rab8A結(jié)合肌球蛋白Va（Myosin Va，MyoVa），肌球蛋白Va與肌動蛋白絲相互作用，從而促進攜帶有GLUT4的囊泡連續(xù)出芽[17]。Rab13在被胰島素激活后，則可與GLUT一同共定位于質(zhì)膜附近的細胞皮層，幫助GLUT4囊泡錨定于皮質(zhì)肌動蛋白絲，促進囊泡融合。Rab8A的核周作用和Rab13的外周作用可相互協(xié)調(diào)，完成肌肉細胞中胰島素調(diào)控的GLUT4囊泡定位[18]。在脂肪細胞中，Rab10起到與Rab8A和Rab13類似的作用，不過它主要在皮層胞質(zhì)結(jié)合MyoVa[19]。

3 COP囊泡對脂代謝的調(diào)控

細胞內(nèi)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運是維持脂質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵。它們在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的合成，在細胞外的運輸，在不同細胞的轉(zhuǎn)化及其對相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控都依賴于其在細胞內(nèi)亞細胞器和細胞質(zhì)膜之間的適當(dāng)分布。囊泡轉(zhuǎn)運對于脂代謝調(diào)節(jié)的多個環(huán)節(jié)都是必不可少的，尤其是在脂質(zhì)的吸收、膽固醇的合成、甘油三酯分解等方面。

腸道對于脂質(zhì)的吸收是食物脂質(zhì)和脂溶性維生素被送往不同組織加以利用的前提條件[20]。腸內(nèi)皮細胞攝取脂解產(chǎn)物并將其酯化后，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中將其包裝進前乳糜微粒（pre-chylomicrons）中運送到順式高爾基體。在高爾基體內(nèi)這些脂質(zhì)被進一步加工形成成熟的乳糜微粒，隨后進入淋巴并通過胸導(dǎo)管進入全身循環(huán)[21]。乳糜微粒蓄積癥（Chylomicron retention disease，CRD）以脂肪吸收不良，脂肪瀉，慢性腹瀉，脂溶性維生素缺乏癥，低膽固醇血癥和發(fā)育遲緩等為主要臨床特征，其患者被報道存在Sar1B基因的突變，干擾前乳糜微粒向高爾基體的轉(zhuǎn)運和后續(xù)加工，這意味著乳糜微粒的分泌障礙可能與COP II有關(guān)[22,23]。由此可見COP囊泡的功能損害可能影響脂質(zhì)的吸收，甚至造成嚴(yán)重的脂代謝紊亂。

轉(zhuǎn)錄因子SREBP對膽固醇合成發(fā)揮著負反饋作用。SREBP蛋白有3種：SREBP-2主要激活膽固醇合成相關(guān)基因，而SREBP-1a和SREBP-1c對脂肪酸合成相關(guān)基因影響更大。當(dāng)膽固醇含量豐富時，SREBP會留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，并與護送蛋白SREBP切割激活蛋白（SREBP cleavage activating protein，SCAP）和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留膜蛋白胰島素誘導(dǎo)基因（Insulin-induced gene，Insig）蛋白結(jié)合。低膽固醇導(dǎo)致SCAP的固醇敏感域構(gòu)象變化，使其與Insig蛋白解離，同時通過誘導(dǎo)SCAP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和脂滴相關(guān)蛋白（Cell death-inducing DFF45-like effector B，Cideb）相互作用，促進SREBP/SCAP裝載到COP II囊泡中，從ER出芽[24]。此外，Cideb與鳥嘌呤核苷酸交換因子Sec12結(jié)合，在ER出口位點富集SCAP/SREBP，啟動 COPII復(fù)合物的組裝[25]。接著COP II囊泡將SREBP-SCAP運送到高爾基體，被兩種蛋白酶催化形成活性形式的SREBP，它們隨后易位到細胞核激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。

脂滴是儲存甘油三酯和甾醇酯的細胞器，也是甘油三酯儲存和分解的主要場所，所以在能量儲存、體內(nèi)平衡和生物合成方面至關(guān)重要[26]。包括脂肪酶（Adipose triglyceride lipase，ATGL）、脂肪分化相關(guān)蛋白（Adipose differentiation-related protein，ADRP）在內(nèi)的多種酶及酶的輔因子從ER向脂滴轉(zhuǎn)運介導(dǎo)脂解作用[27]。研究表明，依次突變GBF1、Arf1和COP I的β亞基，發(fā)現(xiàn)運輸至脂滴的ATGL減少或錯誤運輸至蛋白酶體降解，說明ATGL是通過GBF1-Arf1-COP I途徑運輸?shù)街蔚?。同樣，COP II復(fù)合體組裝起始因子Sar1和組成部分sec13的突變導(dǎo)致的ATGL或ADRP到脂滴的運輸障礙，也表明該運輸過程對COP II囊泡的需求[27]。

4 結(jié)語

本文綜述了COP囊泡的基本功能，闡述其在正常情況下對糖脂代謝的調(diào)控作用，為代謝性疾病的機制研究提供了新思路：疾病相關(guān)的代謝異?？赡芘cCOP囊泡對關(guān)鍵分子的轉(zhuǎn)運障礙有關(guān)。