細(xì)胞膜內(nèi)蛋白質(zhì)運(yùn)輸中脂筏結(jié)構(gòu)的功能論文
大多數(shù)真核細(xì)胞的細(xì)胞器膜由多種脂質(zhì)和蛋白質(zhì)構(gòu)成，這個(gè)膜將細(xì)胞器與胞漿隔離開(kāi)來(lái)。由于這些膜是細(xì)胞器與胞漿的隔離面，所以這個(gè)膜中的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等成分的分子組成和排序?qū)τ谠摷?xì)胞器功能的完成非常重要。
大家都知道，在細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸中，囊泡發(fā)揮著重要的作用。關(guān)于轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡產(chǎn)生的機(jī)制，通常認(rèn)為“外殼蛋白”（Coat protein）會(huì)產(chǎn)生多個(gè)直徑小于100 nm 的泡狀中間體。這些泡狀物能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)進(jìn)行分類和運(yùn)輸，如COPⅠ和COPⅡ（Coat protein com-plexes）介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和早期高爾基體之間的物質(zhì)運(yùn)輸、分泌的囊泡形成以及內(nèi)吞過(guò)程。另一個(gè)囊泡產(chǎn)生的裝置是ESCRT ,它不利用外被中間體（Coated inter-mediate），但也在囊泡裂解過(guò)程中發(fā)揮作用，如內(nèi)吞、病毒出芽和膜修復(fù)[1].這些機(jī)制對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡的產(chǎn)生是必不可少的。而囊泡正確地定位到細(xì)胞器并與相應(yīng)的膜融合需要其他因素的幫助。這些功能有一部分是由SNAREs 蛋白復(fù)合體完成的。這一蛋白復(fù)合體決定轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡什么時(shí)候在什么位置與膜融合[2].除了SNAREs 蛋白復(fù)合體這一關(guān)鍵機(jī)制外，很多的輔助蛋白如適配蛋白（Adaptor protein）選擇性地將特殊蛋白帶到轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡[3],而 Rab GTP 酶為多種細(xì)胞器充當(dāng)“地址標(biāo)記”,以利于囊泡的定位[4].
我們對(duì)蛋白質(zhì)在細(xì)胞器的運(yùn)輸機(jī)制研究和了解的比較多，而對(duì)于脂質(zhì)在細(xì)胞膜中的分布了解的比較少。在脂質(zhì)分選中發(fā)揮重要作用的是有不同組成的膜上的結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域中典型的例子是脂筏結(jié)構(gòu)。脂筏是由幾種特異的脂質(zhì)包括膽固醇、鞘糖脂、飽和脂質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用形成的組合體，這個(gè)組合體是一種液態(tài)有序的結(jié)構(gòu)，它與周圍流動(dòng)性的液態(tài)結(jié)構(gòu)不同。長(zhǎng)久以來(lái)盛行的觀點(diǎn)認(rèn)為脂筏是一種大的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是不正確的，現(xiàn)在認(rèn)為脂筏是高度變化的[5] .關(guān)于脂筏的特征、組成等有不同的認(rèn)識(shí)，最近通過(guò)液-液相分離技術(shù)在顯微鏡下觀察到在細(xì)胞膜上確實(shí)存在脂筏結(jié)構(gòu)，這些脂筏結(jié)構(gòu)的直徑在幾百納米以上，它們能夠使脂質(zhì)和蛋白質(zhì)藏在其中，這使得脂筏結(jié)構(gòu)在膜的轉(zhuǎn)運(yùn)中能夠發(fā)揮分選的作用。
1 脂筏假說(shuō)的由來(lái)
早期對(duì)上皮細(xì)胞的生物學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)其質(zhì)膜頂端蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的組成與側(cè)面和基底面不同，比如質(zhì)膜頂端脂質(zhì)中含有豐富的鞘糖脂、膽固醇，但缺乏甘油磷脂。人們發(fā)現(xiàn)糖基化蛋白和脂質(zhì)從高爾基體的反轉(zhuǎn)面（TGN）到質(zhì)膜的運(yùn)輸是同時(shí)進(jìn)行的，表明這是一個(gè)TGN介導(dǎo)的過(guò)程。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)從TGN產(chǎn)生不同的囊泡類型，這些不同類型的囊泡包含不同的貨物（蛋白質(zhì)）運(yùn)往質(zhì)膜的頂端或側(cè)面和基底面�；谏窠�(jīng)鞘脂能夠通過(guò)氫鍵相互作用，有人推測(cè)神經(jīng)鞘脂和蛋白質(zhì)分離到一個(gè)結(jié)構(gòu)域中，最終一起運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜的頂端或側(cè)面和基底面。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞膜上存在對(duì)非離子型去污劑相對(duì)有抵抗力的微結(jié)構(gòu)域，我們把這種從TGN到質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的由特異的脂質(zhì)成分組成的結(jié)構(gòu)叫做脂筏[6].
2 脂筏在上皮細(xì)胞向質(zhì)膜 頂端進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸中的作用
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抑制膽固醇和鞘脂的合成都會(huì)抑制脂筏對(duì)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的糖基化和脂化都有利于蛋白質(zhì)被脂筏向質(zhì)膜頂端的運(yùn)輸。這些修飾包括N-糖基化、O-糖基化和S-�；ㄈ缱貦磅；7],然而后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)對(duì)于脂筏結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)向質(zhì)膜頂端轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮的中心作用提出了質(zhì)疑。比如不是所有的糖磷脂酰肌醇（GPI）錨定蛋白都被運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜頂端，即使它是脂筏運(yùn)載的[8].而且破壞脂筏結(jié)構(gòu)并不總是導(dǎo)致蛋白質(zhì)運(yùn)輸錯(cuò)誤。為了解釋這些現(xiàn)象，人們提出了新的假設(shè)：小的動(dòng)態(tài)的脂筏結(jié)構(gòu)可以在蛋白質(zhì)的作用下形成大的聚合體。后來(lái)發(fā)現(xiàn)有證據(jù)證明這一假設(shè)。有作者發(fā)現(xiàn)在上皮細(xì)胞質(zhì)膜頂端的GPI錨定蛋白呈聚合狀態(tài)，而這些蛋白在質(zhì)膜的基底面和側(cè)面都呈單體[8].這些聚合體好像一到達(dá)質(zhì)膜就分散成單體或二聚體。
看起來(lái)脂筏結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)向質(zhì)膜頂端運(yùn)輸?shù)囊粋�(gè)主要介導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所以我們推測(cè)細(xì)胞膜是一個(gè)富含脂筏的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)上皮細(xì)胞質(zhì)膜頂端是一個(gè)脂筏結(jié)構(gòu)的連續(xù)體，這個(gè)連續(xù)體被少量的非脂筏結(jié)構(gòu)打破[9].而非極性細(xì)胞與之不同。非極性細(xì)胞的質(zhì)膜是一種連續(xù)的非脂筏狀態(tài)，在其中有少量的脂筏。但是關(guān)于脂筏結(jié)構(gòu)在兩類細(xì)胞中的含量尚無(wú)定論。
現(xiàn)在越來(lái)越多的發(fā)現(xiàn)表明脂筏樣的結(jié)構(gòu)可能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中就形成了。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的膽固醇含量比較低（小于 5 mol%），但從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體再到質(zhì)膜，膽固醇的含量越來(lái)越高，到質(zhì)膜達(dá)到40~50 mol%.同樣鞘脂的`糖基化也是如此。這些變化導(dǎo)致從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到質(zhì)膜厚度越來(lái)越厚，越來(lái)越容易檢測(cè)到脂筏樣結(jié)構(gòu)的存在[10].
3 脂筏在細(xì)胞內(nèi)吞過(guò)程中的作用
細(xì)胞內(nèi)膜的運(yùn)輸人為地分為向外分泌和內(nèi)吞。事實(shí)上生物合成途徑和內(nèi)吞體/溶酶體之間可以互換。即內(nèi)吞的成分也可以回到高爾基體，重新回到質(zhì)膜 .網(wǎng)格蛋白（Clathrin）介導(dǎo)的內(nèi)吞和囊泡形成是真核細(xì)胞最重要的特征，因此網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞過(guò)程是研究的最完整的細(xì)胞過(guò)程[11].后來(lái)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)還存在脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程是相互排斥的（盡管有例外）。脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞對(duì)于質(zhì)膜膽固醇的減少敏感，而網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞過(guò)程對(duì)膽固醇的減少不敏感。所以推測(cè)可以簡(jiǎn)單地把質(zhì)膜內(nèi)吞的過(guò)程分兩種：網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的非脂筏結(jié)構(gòu)的內(nèi)吞和脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞。
在脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞過(guò)程中起重要作用的是胞膜穴樣凹陷（Caveolae）[12],它是脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑的中間體。除此之外，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)存在不依賴網(wǎng)格蛋白的非Caveolae介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑，最突出的例子是CLIC/GEEC 系統(tǒng)（Clathrin-independent carriers,CLIC/GPI-enriched endocytic compartments,GEEC）。這一途徑可以介導(dǎo)GPI-錨定蛋白和鞘糖脂-結(jié)合毒素的內(nèi)吞。這個(gè)過(guò)程不依賴Caveolae和網(wǎng)格蛋白[13].許多證據(jù)已經(jīng)證明CLIC-GEEC途徑與脂筏有關(guān)，然而它的具體過(guò)程尚不清楚[14].另外發(fā)現(xiàn)小分子蛋白Arf6 也介導(dǎo)脂筏相關(guān)的貨物從內(nèi)吞體向質(zhì)膜的再循環(huán)[15].最近的研究還發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)吞過(guò)程叫做大規(guī)模內(nèi)吞（Massive endocytosis,MEND）。這一內(nèi)吞過(guò)程是由細(xì)胞內(nèi)瞬時(shí)的鈣離子濃度升高引起的，在大約幾分鐘之內(nèi)50%的質(zhì)膜就被內(nèi)吞，推測(cè)這種內(nèi)吞是由于脂筏結(jié)構(gòu)的聚集引起的[16].
4 脂筏在內(nèi)體降解和內(nèi)體再循環(huán)中的作用
質(zhì)膜內(nèi)吞之后，內(nèi)體有兩個(gè)去處：一是到溶酶體被降解；二是再循環(huán)到質(zhì)膜。在這個(gè)過(guò)程中脂筏主要參與初級(jí)內(nèi)體的形成。初級(jí)內(nèi)體的結(jié)構(gòu)包含類似再循環(huán)內(nèi)體的網(wǎng)狀小管和類似于次級(jí)內(nèi)體的多泡狀結(jié)構(gòu)。初級(jí)內(nèi)體和再循環(huán)內(nèi)體都富含膽固醇、鞘磷脂和磷脂酰絲氨酸以及Caveolin.但是這些成分在次級(jí)內(nèi)體中含量很少[17].所以人們推測(cè)脂筏介導(dǎo)初級(jí)內(nèi)體 - 再 循 環(huán) 內(nèi) 體 - 質(zhì) 膜 的 再 循 環(huán) 過(guò) 程 . 最 近Diaz-Rohrer 等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，將質(zhì)膜上的一種跨膜蛋白造成一系列的突變，使其對(duì)脂筏有不同程度的親和力，即從“不與脂筏結(jié)合”到“在脂筏中聚集”等一系列的狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)在質(zhì)膜上的定位與其對(duì)脂筏的結(jié)合程度有很大關(guān)系。所有與脂筏結(jié)合的蛋白質(zhì)突變體都在質(zhì)膜中聚集，而失去脂筏結(jié)合特性的蛋白質(zhì)突變體都聚集在次級(jí)內(nèi)體和溶酶體中。對(duì)此，Diaz-Dohrer等[18]的解釋是所有的質(zhì)膜蛋白都被內(nèi)吞，如果該蛋白質(zhì)能夠與脂筏緊密結(jié)合，它將通過(guò)再循環(huán)內(nèi)吞體再循環(huán)到質(zhì)膜，如果該蛋白質(zhì)不在脂筏中富集，它將通過(guò)次級(jí)內(nèi)體和溶酶體被降解。此外Mobius等[19]發(fā)現(xiàn)在次級(jí)內(nèi)體和溶酶體的多泡狀結(jié)構(gòu)的腔面小泡是富含膽固醇的。但是脂筏結(jié)構(gòu)在次級(jí)內(nèi)體的腔面聚集導(dǎo)致溶酶體代謝功能異常。表現(xiàn)為溶酶體的增殖、肥大和嚴(yán)重的神經(jīng)元功能障礙。比如鞘脂代謝障礙性疾病 Fabry 病、尼曼-匹克病和Tay-Sachs 病。經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在這些患者的細(xì)胞中脂筏成分（神經(jīng)鞘脂、糖脂、膽固醇）在溶酶體中聚集，在這些患者的細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量溶酶體的聚集[20].
5 脂筏介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制
在脂筏介導(dǎo)的運(yùn)輸中，小分子蛋白質(zhì)成分起著重要的作用，包括Caveolin、Flotillin、Caveolae以及Arf6等[18],這些小分子蛋白都參與細(xì)胞的內(nèi)吞過(guò)程。
5.1 小分子蛋白 Caveolin、Flotillin 在脂筏運(yùn)輸中的作用 與脂筏介導(dǎo)的運(yùn)輸關(guān)系最密切的是Caveolin.最初發(fā)現(xiàn)這種蛋白是 v-Src 的磷酸化底物，因而與腫瘤的發(fā)生有關(guān)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這一蛋白是膜內(nèi)陷小泡（Caveolae）的重要組成成分，在上皮細(xì)胞向質(zhì)膜頂端的運(yùn)輸中發(fā)揮重要的作用[21].Caveolin與膽固醇直接結(jié)合，而且它的功能受膽固醇存在與否的影響，也就是說(shuō)，消除膽固醇會(huì)影響Caveolin的功能。
Caveolin 多聚化后僅與富含脂筏的膜結(jié)構(gòu)結(jié)合，這暗示出Caveolin的多聚化可能與脂筏的聚集和發(fā)揮功能有關(guān)[22].在脂筏聚集中另一個(gè)起重要作用的蛋白是Flotillin.與Caveolin不同，這種蛋白不是膜內(nèi)在蛋白，它需要脂質(zhì)修飾才能與膜結(jié)合。但與Caveolin相似，F(xiàn)lotillin能夠相互聚合，從而參與內(nèi)吞過(guò)程[23].已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞中GPI-錨定蛋白和霍亂毒素的內(nèi)吞過(guò)程中需要Flotillin的參與[24].
5.2 小分子蛋白 Arf6 在脂筏運(yùn)輸中的作用 除了上述Caveolin和Flotillin蛋白外，有許多輔助因子在脂筏對(duì)目的膜區(qū)的識(shí)別和融合中發(fā)揮重要作用，其中研究的最清楚的是屬于 Ras 家族的小 GTP 酶Arf6.GTP 的水解在細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜的動(dòng)態(tài)變化中發(fā)揮重要作用。在脂筏介導(dǎo)的運(yùn)輸中，Arf家族的許多成員盡管不能作為包被蛋白直接發(fā)揮作用，但是它能夠與網(wǎng)格蛋白和其他連接蛋白（Adaptor protein）結(jié)合，從而發(fā)揮包被蛋白的作用。與其他Arf蛋白不同，Arf6位于質(zhì)膜和初級(jí)內(nèi)體，參與脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞和再循環(huán)，在這個(gè)過(guò)程中Arf6參與的是非網(wǎng)格蛋白/非內(nèi)陷小泡介導(dǎo)的 GPI-錨定蛋白的內(nèi)吞過(guò)程[25].
Arf6 的這一作用對(duì)淀粉樣蛋白前體（APP）的加工過(guò)程非常重要。而Alzhimer病的突出表現(xiàn)就是淀粉樣蛋白的聚積[25]. 除了以上這幾種小分子蛋白外，SNAREs 蛋白復(fù)合體在脂筏小泡與膜的融合中發(fā)揮重要的作用。
總之，脂筏結(jié)構(gòu)在細(xì)胞膜內(nèi)蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體再到細(xì)胞質(zhì)膜 的運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，在細(xì)胞內(nèi)吞、再循環(huán)和進(jìn)入溶酶體的過(guò)程中也發(fā)揮著重要的作用。但具體的機(jī)制仍不清楚。希望能通過(guò)對(duì)功能性膜蛋白的重建的研究和對(duì)脂筏結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入對(duì)脂筏介導(dǎo)的運(yùn)輸機(jī)制有更深一步的認(rèn)識(shí)。
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