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        從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體:一個(gè)受信號分子調(diào)控的蛋白質(zhì)分泌過程

        2013-10-22 08:16:50王家勝羅建紅張?bào)忝?/span>綜述
        關(guān)鍵詞:信號

        王家勝,羅建紅,張?bào)忝?綜述

        (浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所,浙江杭州 310058)

        蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸過程,也稱為早期分泌途徑(early secretary pathway),是對蛋白質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制和分選的重要階段。蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)過初步加工后,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)輸出 位 點(diǎn) (Endoplasmic Reticulum exit sites,ERES)與外被蛋白復(fù)合體Ⅱ(coat protein complexⅡ,COPⅡ)形成囊泡,與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分離。囊泡隨即脫掉COPⅡ并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間 體(ER-Golgi intermediate compartment,ERGIC)融合。蛋白在ERGIC內(nèi)進(jìn)一步成熟,并形成管狀的囊泡[1]離開ERGIC,由動力蛋白沿微管運(yùn)往高爾基體。

        受體接受細(xì)胞內(nèi)外的刺激后經(jīng)信號分子傳導(dǎo)引發(fā)細(xì)胞特定的響應(yīng),而蛋白質(zhì)磷酸化在信號傳導(dǎo)過程中起重要作用。近年研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸過程也是受信號分子磷酸化調(diào)控的。這種調(diào)控使得蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)速率可以因細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境變化而調(diào)整,對細(xì)胞生長、存活、維持穩(wěn)態(tài)有重要意義[2]。作者針對蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸過程(著重于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、ERGIC、高爾基體之間)的信號分子調(diào)控機(jī)制作一綜述。

        1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上信號分子對蛋白質(zhì)分泌的調(diào)控

        蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)經(jīng)過初步折疊、修飾后,在ERES形成COPⅡ囊泡。COPⅡ不僅能招募和聚集待運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì),還促進(jìn)了囊泡的出芽過程[3]。雖然有證據(jù)顯示,包含載脂蛋白的乳糜微粒囊泡出芽并不依賴于COPⅡ[4],但絕大多數(shù)蛋白質(zhì)囊泡的出芽是依賴 COPⅡ的[5]。小GTP酶Sar1和兩種異源二聚體復(fù)合物Sec23-Sec24、Sec13-Sec31共同組成COPⅡ囊泡的外被。在COPⅡ囊泡形成時(shí),首先由鳥苷酸交換因子Sec12招募Sar1-GDP,并將其轉(zhuǎn)化為Sar1-GTP,Sar1-GTP作為“開關(guān)分子”引發(fā)外被形成過程。接著,Sec23-Sec24與可溶性蛋白受體或跨膜蛋白結(jié)合發(fā)揮貨物蛋白質(zhì)(cargo protein)揀選功能。最后,Sec13-Sec31在Sec23-Sec24外周形成一層易彎曲的“籠子”,以適應(yīng)不同大小的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)。近年來,研究發(fā)現(xiàn)多條信號通路和多種信號分子能作用于ERES,從而調(diào)控蛋白質(zhì)運(yùn)輸囊泡的出芽過程。

        1.1 MAPK信號通路 通過小干擾 RNA(siRNA)篩選Hela細(xì)胞的916種激酶和磷酸酶,確定了其中122種激酶和磷酸酶與囊泡從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基的運(yùn)輸有關(guān)[6]。其中包含了MAPK信號通路中的各種激酶,其作用位點(diǎn)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng);激活MAPK信號通路能引起ERES數(shù)目增加,并且MAPK蛋白Erk2能直接磷酸化Sec16第415位蘇氨酸。Sec16是一種分子量為240-280 kDa的膜周邊蛋白,是ERES產(chǎn)生和維持的關(guān)鍵分子,生理狀態(tài)下定位在ERES。研究發(fā)現(xiàn),Sec16能與COPⅡ組成蛋白(Sec13-Sec31,Sec23-Sec24)相互作用,并招募 COPⅡ組成蛋白在 ERES聚集促進(jìn)囊泡形成[7]。Sec16還以通過尚不明確的機(jī)制招募Sar1促進(jìn)囊泡形成[8]。因此,MAPK通路激活導(dǎo)致Sec16激活可以促進(jìn)COPⅡ形成。

        1.2 PCTAIRE激酶與 Sec23A PCTAIRE是一種周期蛋白依賴激酶,主要存在于分化終末的細(xì)胞中。PCTAIRE亞型PCTAIRE-1能被周期蛋白Y(Cyclin Y)激活,并參與神經(jīng)元軸突囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)[9]。PCTAIRE也被發(fā)現(xiàn)在微管相關(guān)蛋白tau的磷酸化中起作用,但不依賴于周期蛋白激活[10]。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磷酸化的PCTAIRE-1和3可以與磷酸化的Sec23A相互作用,并且PCTAIRE的激酶活性對COPⅡ的出芽是必需的[11]。雖然PCTAIRE并不直接磷酸化Sec23A和其他COPⅡ蛋白,但可能通過磷酸化與COPⅡ出芽相關(guān)的分子如動力蛋白(Dynein)和動力蛋白激活蛋白(Dynactin)發(fā)揮調(diào)控作用[12]。已經(jīng)有研究表明,PKA 對PCTAIRE-1的磷酸化能減弱PCTAIRE-1的激酶活性,影響神經(jīng)母細(xì)胞瘤突起生長[13];而周期蛋白依賴激酶5(CDK5)對PCTAIRE-1的磷酸化則能增強(qiáng)其激酶活性,并促進(jìn)神經(jīng)元樹突發(fā)育[14]。但上述PCTAIRE激酶活性的調(diào)控對COPⅡ出芽的影響還有待進(jìn)一步研究證明。

        1.3 Ca2+依賴的ALG-2調(diào)控 凋亡相關(guān)基因2蛋白(Apoptosis-linked gene 2 protein,ALG-2)有5個(gè)依次相連的EF-hand結(jié)構(gòu)域與鈣離子結(jié)合,是一種細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的感受器。研究表明,生理狀態(tài)下ALG-2存在于ERES附近,在鈣刺激下會引起ALG-2成簇狀分布,鈣的螯合劑則會導(dǎo)致 ALG-2與 ERES共定位消失[15]。近年研究發(fā)現(xiàn),ALG-2與 COPⅡ組成蛋白Sec31A有鈣離子依賴的相互作用,并成簇狀共定位分布,無論是降低ALG-2的表達(dá)量還是降低胞鈣濃度,都會減少Sec31A在ERES的量,同時(shí)簇狀分布消失[16,17]。熒光漂白恢復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Sec31A同ALG-2結(jié)合位點(diǎn)的突變將降低Sec31A與ERES結(jié)合的高親和性,提示ALG-2與Sec31A的結(jié)合對Sec31A在ERES發(fā)揮作用有重要關(guān)系[18]。還有研究顯示,在體外鈣離子作用下ALG-2通過穩(wěn)定COPⅡ囊泡結(jié)構(gòu)抑制COPⅡ的相互融合[19],但體內(nèi) ALG-2對 COPⅡ囊泡的調(diào)控還知之甚少。雖然上述研究表明ALG-2能通過對不同胞內(nèi)鈣濃度的響應(yīng)來調(diào)控Sec31A的量和分布,但鈣信號介導(dǎo)的ALG-2對COPⅡ囊泡具體調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

        1.4 脂質(zhì)信號(lipid signaling) 類二十烷酸、磷酸肌醇、磷酸酰肌醇、鞘磷脂、脂肪酸等脂質(zhì)作為信號分子,在調(diào)控細(xì)胞增殖分化、凋亡、新陳代謝、遷移等過程中發(fā)揮重要作用[20]。細(xì)胞外信號能控制一系列脂質(zhì)酶的活性,這些酶通過對脂質(zhì)特異地修飾使脂質(zhì)發(fā)揮信號分子的作用。

        磷酸酰肌醇(Phosphatidylinositol,PtdIns)的3個(gè)羥基被選擇性磷酸化得到的衍生物能作為不同膜性細(xì)胞器的標(biāo)志,在調(diào)控蛋白運(yùn)輸中起重要作用。PtdIns第4號位羥基被磷酸化得到的PtdIns(4)P主要存在于高爾基體及ERES上。PtdIns(4)P可由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上大量分布的PtdIns經(jīng)PI4K磷酸化產(chǎn)生[21]。研究發(fā)現(xiàn),Sar1在ERES上被募集和激活能使PtdIns(4)P含量上升,而PtdIns(4)P能促進(jìn)COPⅡ囊泡的形成[22]。因?yàn)镻I4K亞型PI4KⅡ能在體外條件下被Sar1激活,且分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)周圍,因此Sar1可能通過PI4KⅡ調(diào)控PtdIns(4)P含量。此外,PI4K另一亞型PI4KⅢ在未折疊蛋白反應(yīng)(Unfolded protein response,UPR)激活時(shí)含量增加,并促進(jìn)囊泡形成,也可能通過PtdIns(4)P途徑調(diào)控這個(gè)過程[23]。磷脂酰膽堿也有相似的調(diào)控過程。Sar1的磷酸化能激活磷酸酶D(Phospholipase D,PLD),加快PLD將磷脂酰膽堿水解為膽堿和磷脂酸,后者進(jìn)一步促進(jìn)Sec23/Sec24 聚集,加快囊泡形成[24]。

        2 ERGIC上信號分子調(diào)控

        內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間體(ERGIC),也被稱為管泡樣囊泡聚集體(Vesiculo-tubular clusters)或前高爾基中間體(pre-Golgi intermediates),是與ERES在空間上并列且位置相對固定的膜性結(jié)構(gòu)[25],發(fā)揮聚集蛋白質(zhì)、促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和質(zhì)量控制等作用。

        人們對ERGIC上信號分子調(diào)控分泌途徑的機(jī)制知之甚少,目前僅發(fā)現(xiàn)包含PKC激酶家族的信號通路能對該過程進(jìn)行調(diào)控。根據(jù)PKC的激活方式可以將PKC家族分為經(jīng)典PKC 激 酶 (classical or conventional PKCs,cPKCs)、新型 PKC 激酶(novel PKCs,nPKCs)和非典型 PKC激酶(atypical PKCs,aPKCs)三類[26]。研究發(fā)現(xiàn),Src激酶能磷酸化 aPKC激酶的 PKCλ 和 PKCι,促進(jìn) PKCλ 和 PKCι定位到ERGIC膜上,使PKCλ和PKCι發(fā)揮磷酸化甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)的激酶活性[27]。有證據(jù)顯示,磷酸化的GAPDH在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的分泌途徑中可能通過招募動力蛋白與微管結(jié)合并促進(jìn)囊泡從ERGIC出芽而發(fā)揮調(diào)控作用[28]。此外,新型PKC激酶PKCδ和PKCε也被發(fā)現(xiàn)作用于ERGIC并能調(diào)控ERGIC形態(tài),但PKCδ和PKCε似乎并不影響蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體間的正向或逆向轉(zhuǎn)運(yùn)[29]。

        3 高爾基體上信號分子調(diào)控

        蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸不僅受胞外刺激引發(fā)的信號通路調(diào)控,還受到運(yùn)輸過程引發(fā)的反饋信號調(diào)節(jié)。近年來一系列研究發(fā)現(xiàn),包含在囊泡內(nèi)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白能間接激活高爾基體上信號通路產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,維持高爾基體的穩(wěn)態(tài)。

        酪氨酸激酶Src被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于高爾基體周圍,調(diào)控高爾基體的形態(tài),并且磷酸化的Src對保持高爾基體結(jié)構(gòu)的完整是不可或缺的[30]。Src的缺失不會影響蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的順向轉(zhuǎn)運(yùn)速率,但會降低蛋白從高爾基體到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)速率[31]。研究發(fā)現(xiàn),貨物蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸促進(jìn)Src的激活,引發(fā)Src磷酸化高爾基體上一系列底物。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)表明Src與KDEL受體具有相互作用,這種相互作用還可直接介導(dǎo)Src的激活[32]。KDEL受體能特異地識別可溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白N端的KDEL氨基酸序列,位于ERGIC或高爾基體的KREL受體負(fù)責(zé)將可溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白逆向轉(zhuǎn)運(yùn)回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。當(dāng)可溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白運(yùn)達(dá)高爾基體,駐留蛋白與KDEL受體結(jié)合引發(fā)該受體的二聚化而激活,激活后的KDEL受體招募形成負(fù)責(zé)逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的COPⅠ囊泡,將可溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白逆向轉(zhuǎn)運(yùn)回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。Src能磷酸化KDEL受體,并且KDEL受體第209位絲氨酸磷酸化可以促進(jìn)其在高爾基體上與COPⅠ囊泡蛋白結(jié)合[33],提示KDEL受體介導(dǎo)的Src激活能反饋?zhàn)饔糜贙DEL受體,促進(jìn)可溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)。Src不僅影響貨物蛋白從高爾基體到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的逆向轉(zhuǎn)運(yùn),Src的激活還能促進(jìn)貨物蛋白在高爾基體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。因此,這種通過KDEL受體感知貨物運(yùn)輸“壓力”并通過激活Src促進(jìn)貨物蛋白在高爾基體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的過程,實(shí)現(xiàn)了高爾基體貨物輸入和輸出的平衡,有助于維持高爾基體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[34]。

        4 結(jié)論與展望

        過去10年對囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控機(jī)制的研究,極大增進(jìn)了人們對細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的了解。盡管現(xiàn)有的研究遠(yuǎn)不能讓人們了解囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控機(jī)制的每個(gè)細(xì)節(jié),但更多更細(xì)致的工作將最終會驅(qū)散籠罩于囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控機(jī)制的迷霧。

        信號分子調(diào)控作為調(diào)控機(jī)制的重要一種,在5年的研究中,發(fā)現(xiàn)其在囊泡從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)ERGIC到高爾基體的運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用。雖然對信號分子調(diào)控機(jī)制的研究才剛剛起步,但一些令人信服的結(jié)果表明,信號分子能作用于運(yùn)輸涉及的三個(gè)膜性結(jié)構(gòu)——內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、ERGIC和高爾基體,調(diào)控囊泡的出芽和融合。蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸不僅受胞外刺激引發(fā)的信號通路調(diào)控,還受到囊泡內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的反饋調(diào)節(jié)。如囊泡內(nèi)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白能引起高爾基體上Src通路的激活,該過程對維持高爾基體的穩(wěn)態(tài)有重要意義。

        由于各種信號通路間存在交叉(crosstalk),極大增加了通路研究的復(fù)雜性。應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)原理進(jìn)行高通量篩選是發(fā)現(xiàn)信號調(diào)節(jié)通路的趨勢。已有研究通過siRNA方法發(fā)現(xiàn),從質(zhì)膜受體到靶細(xì)胞器調(diào)控膜轉(zhuǎn)運(yùn)的完整通路[6],該MAPK通路作用于 ERES上的Sec16,通路的激活促進(jìn)囊泡出芽。以往的研究常常采用水泡性口炎病毒G蛋白(vesicular stomatitis virus G protein,VSV-G)來研究信號分子對囊泡運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控,但是生理情況下信號分子的調(diào)控應(yīng)該是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白特異性的。如研究發(fā)現(xiàn)蛋白激酶PKA和PKC能磷酸化N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDA)受體的NR1亞基,促進(jìn)包含NR1亞基的 NMDA受體從 ERES排出[35],這也正展示了一個(gè)特異性蛋白質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控的模式。對信號分子特異性調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的研究將極大發(fā)展人們對信號調(diào)控機(jī)制的理解,為治療因從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)異常引發(fā)的疾病如遲發(fā)性脊椎骨骺發(fā)育不良(spondyloepiphyseal dysplasia tarda,SEDT)、合并凝血因子V和凝血因子 VIII缺乏癥(combined factor V and factor VIII deficiency)等提供新的線索[36-38]。

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