细胞生物学/囊泡与囊泡转运

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细胞的内膜系统与囊泡转运 - 内质网 - 高尔基复合体 - 溶酶体 - 过氧化物酶体 - 囊泡与囊泡转运 - 细胞内膜系统与医学的关系
囊泡,也称为小泡(vesicle), 是真核细胞内十分常见的由单位膜包围而成的含有特殊内含物的膜泡结构。袋泡从几十纳米到数百纳米不等,可呈小的球形或较大的无规则形状。在所有具有内膜系统结构的细胞中,就必然地会有痪泡的形成出现。内膜系统是一个庞大复杂的功能结构体系,构成内膜系统的各主要细胞器都具有它们各自相对独特的结构存在形式和主要的生理功能。襄泡虽然不像内质网、高尔基复合体、溶酶体和过氧化物酶体那样作为一种相对稳定的细胞内固有结构而存在,但是却依然是细胞内膜系统不可或缺的重要功能结构组分。囊泡的形成出现,都会伴随着细胞内物质的定向运输活动过程,因此也被称为转运囊泡(transport vesicle)。由囊泡介导的运输方式称为囊泡运输(membrane traffic)或囊泡转运(vesicular transport)。

囊泡在胞内蛋白质运输中的作用[编辑]

不论是在游离核糖体还是膜结合型核糖体上合成的蛋白质,在其合成结束后,必须被输送到其发挥功能的细胞区室。正是由于新合成蛋白质多肽链中信号序列的差异,最终决定了蛋白质合成起始后继续合成的不同形式和各自的运输途径及去向。胞内的蛋白质运输主要有3条不同途径。

  1. 门控运输(gated transport):是指由特定的分拣信号(如核定位信号)介导,并通过核孔复合体的选择性作用,在细胞溶质与细胞核之间所进行的蛋白质运输。
  2. 穿膜运输(transmembrane transport): 是指通过结合在膜上的蛋白质转运体进行的蛋白质运输。在细胞质溶质中合成的蛋白质就是经由这种方式被运输到内质网和线粒体的。
  3. 小泡运输(vesicular transport):又称囊泡运输或囊泡转运,是由不同膜性运输小泡承载的一种蛋白质运输形式。其实质是由膜包裹、以出芽的方式从供体细胞器或质膜断裂形成囊泡,携带运送的物质到达受体细胞器或质膜并与之融合而完成转运的过程。膜性细胞器之间的蛋白分子转移、细胞的分泌活动及细胞膜的大分子和颗粒物质转运,都是以这种运输形式来实现。

囊泡运输是真核细胞特有的一种细胞物质内外转运形式。囊泡类型多样,结构特殊,有着十分精密复杂的产生、形成过程。在细胞生命活动中由之所承载和往返穿梭进行的物质运输,不但涉及蛋白质的修饰、加工和装配,同时还涉及内膜系统不同功能结构间通过相互转换的定向物质转运过程及其复杂有效的分子调控机制。近些年来,对于囊泡的研究,受到了人们越来越多的关注。

囊泡的类型与来源[编辑]

囊泡虽然可被视为是内膜系统重要的整体功能结构组分之一,但是与内质网、高尔基复合体、溶酶体及过氧化物酶体等膜性细胞器不同,它们并非是一种相对稳定的细胞内固有结构,而只是细胞内物质定向运输的载体和功能表现形式。囊泡类型多样,结构特殊,有着十分粘密复杂的产生、形成过程。不同类型的囊泡介导不同的运输过程。据研究推测,承担细胞内物质定向运输的戏泡类型至少有1O种以上。其中网格蛋白有被小泡(clathrin-coaled vesicle)、COP Ⅰ有被小泡(COP Ⅰ-coated vesicle)和COP Ⅱ有被小泡(COP Ⅱ-coaled vesicle)是目前了解较多的三种戚泡类型。

网格蛋白有被小泡产生于高尔基复合体及细胞膜[编辑]

网格蛋白有被小泡可以出芽的方式产生于高尔基复合体,也可由细胞膜受体介导的细胞内吞作用而形成。由高尔基复合体产生的网格蛋白小泡,主要介导从高尔基复合体向溶酶体、胞内体或质膜外的物质输送转运;而通过细胞内吞作用形成的网格蛋自有被小泡则是将外来物质转送到细胞质,或者从胞内体输送到溶酶体。
网格蛋白有被小泡的产生,是一个非常复杂的过程,涉及多种蛋白的参与和作用。网格蛋白有被小泡直径一般在50~100nm之间。该类戏泡的结构特点有二: 一是外被以由网格蛋白纤维构成的网架结构,亦因此而得名;二是在网格蛋白结构外框与囊膜之间约20nm的间隙中填充覆盖着大量的衔接蛋白(adaptin)。
网格蛋白(clathrin)是一种蛋白复合物,由3条重链和3条轻链组成。重链和轻链组成二聚体,三个二聚体又形成了包被小泡的结构——三腿蛋白复合物(triskelion)。
衔接蛋白是有被小泡的包被组成成分,介于网格蛋白与配体-受体复合物之间,参与包被的形成并起连接作用。衔接蛋白一方面形成相对于外侧网格蛋白框架而言囊泡的内壳结构,另一方面还介导网格蛋白与娱膜穿膜蛋白受体的连接。因此,囊泡就是依靠衔接蛋白来捕获转运分子的。目前发现,细胞内至少有4种不同的衔接蛋白,它们选择性地通过与不同受体-转运分子复合体的结合,形成特定的转运满泡,进行不同的物质转运。对其中3种衔接蛋白(APl、AP2和AP3)的性质研究较多。AP1参与反面高尔基复合体的网格蛋白有被囊泡的出芽;AP2则参与从细胞质膜形成的网格蛋白有被囊泡的组装;AP3是在酵母和小鼠中鉴定到的一种衔接蛋白,参与某些蛋白从反面高尔基体到液泡、溶酶体的运输。
在囊泡的形成中,除网格蛋白与衔接蛋白之外,发动蛋白或缢断蛋白(dynamin) ——细胞质中一种可结合并水解GTP的特殊蛋白质也具有极其重要的作用。发动蛋白由900个氨基酸组成,在膜囊芽生形成时,发动蛋白与GTP结合,并在外凸(或内凹)芽生膜裴的颈部聚合形成环状;随着其对GTP的水解,发动蛋白环向心缢缩,直至囊泡断离形成。而一旦囊泡芽生形成,便会立即脱去网格蛋白外 被,转化为无被转运小泡,开始其转运运行。

COP Ⅱ有被小泡产生于内质网、介导从内质网到高尔基复合体的物质转运[编辑]

COP Ⅱ有被小泡由糙面内质网所产生,因覆盖有衣被蛋白Ⅱ(coatomer protein Ⅱ, COP Ⅱ)而得名,属于非网格蛋白有被囊泡类型。COP Ⅱ有被小泡最先被发现于酵母细胞糙面内质网与胞质及ATP的共孵育实验。利用酵母细胞突变体进行研究鉴定,发现COP Ⅱ衣被蛋白由5种亚基组成。包括小分子GTP结合蛋白Sarl 、Sec23/Sec24复合物、Secl3/Sec3l复合物和大的纤维蛋白Secl6。其中的Sar蛋白属于一种小的GTP结合蛋白,它可通过与GTP或GDP的结合,来调节囊泡外被的装配与去装配。Sar蛋白亚基与GDP的结合,使之处于一种非活性状态;当取而代之与GTP结合时,Sar蛋白就会被激活,并导致其结合于内质网膜,同时引发其他蛋白亚基组分在内质网膜上聚合、装配、出芽,随即断离形成COP Ⅱ有被小泡。
COP Ⅱ有被小泡主要负责介导从内质网到高尔基复合体的物质转运。实验证明,应用COP Ⅱ有被小泡衣被蛋白COP Ⅱ的抗体,能够有效地阻止内质网膜小泡的出芽。有人采用绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)标记示踪技术观察COP Ⅱ有被小泡的转运途径发现:当COP Ⅱ有被小泡在内质网生成之后,在向高尔基复合体的转移途中,常常数个彼此先行融合,形成所谓的“内质网-高尔基体中间体”(ER-to-Golgi intermediate compartment), 然后再沿微管系统继续运行,最终到达高尔基复合体之顺面(形成面)。COP Ⅱ有被小泡在抵达其靶标之后、与靶膜融合之前,即由结合的GTP水解,产生Sar-GDP复合物,促使囊泡包被蛋白发生去装配,导致娴泡脱去衣被成为无被转运小泡。
COP Ⅱ有被小泡的物质转运具有选择性。实现这种选择的机制是:COP Ⅱ蛋白能够识别结合内质网穿膜蛋白受体胞质侧一端的信号序列;而内质网穿膜蛋白受体网腔侧的一端,则又与内质网网腔中的可溶性蛋白结合。由此可见,COP Ⅱ蛋白对于泌泡的选择性物质运输具有非常重要的作用。

COP Ⅰ有被小泡的主要功能是回收转运内质网逃逸蛋白[编辑]

COP Ⅰ有被小泡首先发现于高尔基复合体,其覆盖有衣被蛋白Ⅰ(coatomer protein Ⅰ, COP Ⅰ),亦属于非网格蛋白有被囊泡类型。它们主要负责内质网逃逸蛋白的捕捉、回收转运以及高尔基复合体膜内蛋白的逆向运输(retrograde transport)。同时,有证据表明:COP Ⅰ有被小泡也能够行使从内质网到高尔基体的顺向转移(anterograde transport)。顺向转移一般不能直接完成,在囊泡的转移运行过程中,往往需要通过“内质网-高尔基体中间体”这一中间环节的中转。
COP Ⅰ衣被蛋白覆盖于囊泡表面,是一种由7个亚基(α、β、γ、δ、ε、ζ等)组成的多聚体。在早前的研究中,人们用不能被水解的GTP类似物处理细胞,引起COP Ⅰ有被小泡在细胞中的聚集。然后采用密度梯度离心技术,使之从细胞匀浆中分离出来。经鉴定分析,先后发现了COP Ⅰ有被小泡衣被蛋白的α、β、γ、δ、ε、ζ等几种蛋白亚基成分。其中的α蛋白(也称ARF蛋白)类似于COP Ⅱ中的Sar蛋白亚基,即作为一种GTP结合蛋白,可调节控制衣被蛋白复合物的聚合、装配及膜泡的转运。
COP Ⅰ衣被小泡形成的大致过程是:①游离于胞质中的非活化状态ARF蛋白与GDP解离并与GTP结合形成GTP-ARF复合体;②GTP-ARF复合体作用于高尔基复合体膜上的ARF受体;③COP Ⅰ蛋白亚基聚合,同ARF一起与高尔基体襄膜表面其他相关蛋白结合作用,诱导转运囊泡芽生。而一旦COP Ⅰ有被小泡从高尔基顺面膜囊生成断离出来,COP Ⅰ衣被蛋白即可解离。体外实验证明:CTP的存在,是COP Ⅰ衣被蛋白发生聚合与解离的必要条件。

囊泡转运[编辑]

囊泡转运是细胞物质定向运输的基本途径[编辑]

无论何种类型的囊泡,其囊膜均来自于细胞器膜。囊泡的产生方式,是由细胞器膜外凸或内凹芽生(budding)而成。体外研究结果显示:褒泡的芽生是一个主动的自我装配过程;参与这一过程的各种组分,在进化上是十分保守的。因为,从酵母或植物细胞中提取的胞质溶胶,同样能够启动动物细胞中高尔基复合体的损泡出芽生成。而所谓的囊泡转运(vesicular transport), 则是指囊泡以出芽的方式,从一种细胞器膜产生、脱离后又定向地与另一种细胞器膜相互融合的过程。
囊泡的产生形成过程,总是伴随着物质的转运;囊泡的运行轨道及归宿,取决于其所转运物质的定位去向。比如,细胞内所合成产生的各种外输性蛋白及颗粒物质,总是先进入内质网,然后以囊泡的形式输送到高尔基复合体,再直接地或经由溶酶体到达细胞膜,最终通过胞吐作用(或出胞作用)分泌释放出去。而细胞通过胞吞作用摄入的各种外来物质,总是以囊泡的形式,自外而内,从细胞膜 输送到胞内体或溶酶体。细胞通过胞吞作用摄取重要营养物质如维生素、脂类和铁等经内体或溶酶体重新运输到胞质供细胞利用,一些物质如吞噬的细菌、病毒等异物也可以从细胞膜经内体等向溶酶体等进行向内运输并被降解。由此可见,由囊泡转运所承载和介导的双向性物质运输,不仅是细胞内外物质交换和信号传递的一条重要途径,而且也是细胞物质定向运输的一种基本形式。
通过囊泡运输的物质主要有两类:一类是位于囊泡膜上的膜蛋白如膜受体、离子通道蛋白和脂类等,可参与细胞器的组成或特定细胞功能(如细胞代谢和信号转导等)。另一类是囊泡所包裹的内含物,如神经递质、激素、各种酶和细胞因子等,这些物质可发挥降解蛋白质或脂类等的功能;或可被分泌到细胞外,发挥调节自身或其他细胞的功能。

囊泡转运是—个高度有序并受到严格选择和精密控制的物质运输过程[编辑]

不同来源、不同类型的囊泡,承载和介导不同物质的定向运输。它们必须沿正确的路径,以特定的运行方式,方可抵达、锚泊于既定的靶标,并通过膜的融合释放其运载物质。
一般认为,囊泡如果在较短距离内转运,其主要以简单弥散的方式运行,比如从内质网到高尔基复合体的娱泡转运就是通过这种方式进行的;当转运距离较长时,囊泡运行则需要借于类似骨骼肌纤维中的运动蛋白的协助才能完成。比如在一个长的神经细胞中,源于高尔基复合体的痪泡向细胞轴突远(末)端的转移就是如此。
囊泡转运不仅仅只是物质的简单输送,而且还是一个严格的质量检查、修饰加工过程。举例来说:进入内质网的蛋白质,首先要被决定其去、留问题;之后,那些外输的蛋白质,往往还要经过一定的修饰加工和质量检查,才能以囊泡的形式被转运到高尔基复合体。有时候,某些内质网驻留蛋白或不合格的外输蛋白可能会从内质网逃逸外流,但是,它们在进入高尔基复合体后也还是会被甄别、捕 捉,并由COP Ⅰ有被囊泡遣返回来。事实上,无论何种来源类型、哪些形式途径的痪泡转运,都是高度有序、受到严格选择和精密控制的物质运输过程。

特异性识别融合是囊泡物质定向转运和准确卸载的基本保证[编辑]

囊泡运输是一个十分复杂的过程,主要包括如下关键步骤:①囊泡的形成:涉及供体膜的出芽、装配和断裂,形成不同的包被囊泡(前面已述及);②囊泡运输:可由马达蛋白驱动,以微管为轨道进行;③转运囊泡与特定的靶细胞膜描定和融合。最终达到对物质运输的目的。而转运囊泡抵达靶标之后与靶膜的融合,是一个涉及多种蛋白的识别与锚泊结合、装配与去装配的复杂调控过程,具有高度的特异性。而这也正是物质定向运输和准确卸载的基本保证机制。
囊泡与靶膜的识别是它们之间相互融合的基础。这个重要的过程主要依靠两类蛋白的参与:①Rab蛋白引导囊泡到达正确靶膜的特定靶点;②由可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体(soluble N-ethyl maleimide-sensitive factor attachment protein receptor, SNAREs)介导囊泡膜与靶膜之间的融合。
1、SNAREs蛋白家族介导囊泡与靶膜之间相互融合 虽然目前对于囊泡与靶膜的识别机制还知之甚少,但是,其无疑与囊泡表面的特异性标记分子和靶膜上的相应受体密切相关。近些年来,SNAREs 家族在囊泡运输及其选择性锚泊融合过程中的作用引起了人们的极大关注。囊泡相关膜蛋白(vesicle-associated membrane protein, VAMP)和突触融合蛋白(syntaxin)是该蛋白家族的一对成员,负责介导细胞内的艇泡转运。研究发现:在转运囊泡表面有一种VAMP类似蛋白,被称之为囊泡SNAREs(vesicle-SNAREs, v-SNAREs); 突触融合蛋白是存在于靶标细胞器膜上SNAREs的对应序列,被称之为靶SNAREs(target-SNAREs, t-SNAREs)。此二者互为识别, 特异互补。越来越多的研究表明介导转运囊泡与靶膜融合的主要机制是通过v-SNARE/t-SNARE 蛋白之间那种“锁-钥”契合式的相互作用,决定囊泡的锚泊与融合。事实上,存在于神经元突触前质膜上的突触融合蛋白和能够与之特异性结合的突触小泡膜上的囊泡相关膜蛋白已被分离鉴定。这两种蛋白的相互作用,可介导膜的融合和神经递质的释放。
目前普遍认为:所有转运娱泡以及细胞器膜上都带有各自特有的一套SNAREs互补序列,它们之间高度特异的相互识别和相互作用,是使转运毅泡得以在靶膜上锚泊停靠,保证囊泡物质定向运输和准确卸载的基本分子机制之一。
2、Rab蛋白家族在囊泡转运与融合中起调节作用 Rab蛋白家族为一个大的GTP结合蛋白家族,是参与囊泡转运识别、锚泊融合调节的蛋白因子。目前已发现大约70个家庭成员。研究发现每一种细胞器的胞质面至少含有一种Rab蛋白。Rab蛋白的这种选择性分布使其成为理想的鉴定细胞器的分子,例如Rab5定位于早期内体、高尔基复合体,Rab9则定位于晚期内体、高尔基复合体等。不 同Rab蛋白经活化传送定位于不同膜性结构中主要用于促进和调节囊泡的停泊和融合。
Rab蛋白被称为袋泡融合的“定时器”。Rab蛋白结合GTP激活可位于细胞质膜、内膜和转运囊泡膜上,调节SNARE复合体的形成。不同Rab蛋白可作用于不同的效应因子(effector), 帮助运输小泡的聚集和靠近靶膜,促进SNARE介导的膜融合过程。许多运输小泡只有在含有特定的Rab和SNARE之后才能形成。如在早期内体中有RabS存在。实验证明没有RabS参与,内体不能形成,即囊泡不能融合。Rab1调节内质网到高尔基复合体转运囊泡的融合过程。酵母Sec4基因编码的蛋白与细胞Rab蛋白同源。如果将Sec4突变,则非网格蛋白有被痪泡的脱衣被转运融合过程就会受阻失常。

囊泡转运是实现细胞膜及内膜系统功能结构转换和代谢更新的桥梁[编辑]

细胞膜和内质网是囊泡转运的主要发源地,而高尔基复合体则构成了囊泡转运的集散中心。伴随物质的合成运输,由内质网产生的转运痪泡融汇到高尔基复合体,其囊膜成为高尔基复合体形成面膜的一部分;由高尔基复合体成熟面持续地产生和分化出的不同分泌囊泡,或被直接输送到细胞膜,或经由溶酶体最终流向和融入细胞膜。细胞膜来源的囊泡转运,则以胞内体或吞噬(饮)体的形式与溶酶体发生融合转换。由此可见,不断地产生、形成,存在和穿梭于质膜及内膜系统结构之间的囊泡转运,它们在承载和介导细胞物质定向运输功能的同时,又不断地被融汇更替、转换易名,从一种细胞器膜到另一种细胞器膜,形成了一个有条不紊、源源不断的膜流, 并藉此进行着细胞膜及内膜系统不同功能结构之间的相互转换与代谢更新。