全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (1): 29~43 29
收稿 2011-10-11　　修定 2011-11-08
资助 国家自然科学基金(30840002和30970223)、黑龙江省留
学归国人员科学基金(LC08C03)、中央高校基本科研业
务费专项资金(DL09DA02)、东北林业大学引进人才科
研启动金(015-602042)、中国博士后科学基金特别资助
(200902365)和黑龙江省留学人员科技活动项目择优资助
(2009-HLJLixinli)。
* 通讯作者(E-mail: lixinli1@gmail.com; Tel: 0451-82192237)。
细胞内膜泡运输中拴系因子的功能
贾美慧, 屠宝玉, 韩宝达, 李立新*
东北林业大学盐碱地生物资源环境研究中心, 东北油田盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室, 哈尔滨150040
摘要: 膜泡运输是不同细胞器间进行物质传递的基本方式, 分为4个重要步骤: 囊泡的出芽、转运、拴系和融合。在此过程
中, 有许多相关因子参与调控, 如包被蛋白、Rab蛋白、拴系因子、SM蛋白和SNARE等。拴系因子在运输囊泡和靶位膜
发生接触的最初阶段起重要调控作用, 多数拴系因子形成大的多亚基复合体发挥功能。目前, 关于拴系因子的功能已经有
了一定的了解, 在此, 我们对酵母、哺乳动物以及植物细胞中的已知拴系因子的特点和功能进行了概述。
关键词: 膜泡运输; 拴系因子; 运输囊泡
Function of Tethering Factors in Vesicle Transport
JIA Mei-Hui, TU Bao-Yu, HAN Bao-Da, LI Li-Xin*
Key Laboratory of Saline-Alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field, Ministry of Education, Alkali Soil Natural Environ-
mental Science Center, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: Intracellular delivery of materials between different organelles is mostly based on vesicle transport.
Each vesicle transport reaction can be divided into four essential steps including vesicle budding, transport,
tethering and fusion. These steps are tightly regulated by many factors, such as coat proteins, SM, SNARE, Rab
proteins and tethering factors. Tethering factors function in the initial attachment of transport vesicles to their
target membranes. Most of the tethering factors are large multisubunit complexes. Up to date, there are certain
achievements on study of tethering factor. This review summarizes developments in characterization and func-
tion of tethering factors in yeast, mammalian and plant cells.
Key words: vesicle trafficking; tethering factor; transport vesicle
真核细胞中蛋白质和脂类在包括细胞膜在内
的多种细胞器间的定向转运是维持细胞正常生命
活动所必需的过程。这种定向转运不仅保证物质
运输的方向性, 并且限定了蛋白质通过分泌途径
中各细胞器的顺序。不同的膜结构之间进行的物
质转运主要由运输囊泡介导, 膜泡运输主要包括4
个重要步骤: 囊泡的出芽、转运、拴系和融合(图
1)。运输囊泡与受体膜之间的最初接触是由拴系
因子(tethering factor)和Rab GTPase介导的, 拴系因
子促使囊泡与受体膜靠近, 使囊泡上的v-SNARE
与靶膜上的t-SNARE形成四螺旋束的SNARE复合
体, 从而促进磷脂双分子层的融合(Fiebig等1999;
Poirier等1998; Sutton等1998)。拴系因子能够与
SNARE、Rab和coatomer等相互作用调控膜泡运
输。目前, 关于拴系因子的研究已取得一定进展,
本文对其结构和功能进行了阐述。
1 拴系因子的分类与结构
拴系因子可分为两大类: 一类是长型卷曲螺
线型蛋白(long coiled-coil protein), 一般称为拴系
蛋白, 能够形成同源二聚体。另一类是多聚亚基
复合体, 一般称为拴系复合体(Cai等2007)。二者
在膜泡运输中的功能相似。
1.1 拴系蛋白的结构
拴系蛋白主要参与高尔基体和内涵体的膜融
合(Whyte和Munro 2002)。目前, 哺乳动物的p115
蛋白有比较深入的研究。p115是主要分布在高尔
基体的膜外在蛋白, 最初是通过高盐或强碱条件
从中国仓鼠卵巢高尔基体中提取出来的(Waters等
1992)。p115序列高度保守, 牛和大鼠的p115蛋白
质序列有92%是一致的。牛p115蛋白分子量为108
植物生理学报30
kDa, 包括3个结构域, N-末端头部是球状结构域;
与球状结构域相连的螺线型结构域, 此结构域形
成二聚体; 接着是连接部分和高度亲水的尾部, C-
末端的亲水性尾部多为酸性氨基酸组成, 通常形
成二聚体(图2) (Sapperstein等1995)。酵母Uso1p是
p115的同系物, 它是内质网派生的囊泡与高尔基体
拴系过程中发挥作用的唯一的分布于细胞质内的
因子(Barlowe 1997)。电子显微镜观察显示, Uso1p
与p115相似, 通常形成二聚体, 由球形头部和长的
α-螺旋结构尾部组成, 但是Uso1p比p115大得多, 其
分子量为206 kDa (Yamakawa等1996; Sapperstein
等1995)。二者的头部结构域大小相似, p115的头
部结构域包含651个氨基酸残基, 而Uso1p的头部
包含728个氨基酸残基。牛p115与Uso1p的头部结
构域有2个同源区——HR1 (homology region 1)和
HR2, 在尾部还有一个同源区——HR3, 他们的保
守性很高(图2) (Sapperstein等1995)。综上, 拴系因
子Uso1p和p115共同特征是具有球状结构头部和α-
螺旋结构组成的尾部, 能够形成二聚体。
1.2 拴系复合体的结构
迄今为止共有8种拴系复合体被鉴定出来, 从
功能的角度来看, 其中3种拴系复合体参与货物蛋
白质的分选, 分别是CORVET (class C core vacuole/
endosome tethering)、HOPS (homotypic fusion and
protein sorting)和GARP (Golgi-associated retrograde
protein)/VFT (Vps fifty three, Vps-vacuolar protein
sorting); 另外5种参与蛋白质分泌过程, 分别是
TRAPPI (transport protein particle)、Dsl1、TRAP-
PII、COG (conserved oligomeric Golgi)和exocyst
(图3)。如果按拴系复合体的组成特点来分, 又可
分为四叶式结构复合体(quatrefoil complexes)和非
四叶式结构复合体(non-quatrefoil tethering com-
plexes), 其分类依据是exocyst、COG和GARP都是
四亚基聚合体, 并且呈现为对称的四叶式结构, 这
样的结构可能是与反式SNARE复合体的核心
SNARE结构域的四重对称元件相互作用有关
(Whyte和Munro 2002)。
图1 膜泡运输过程中的4个主要步骤
Fig.1 The four essential steps in vesicle transport
参考Bonifacino和Glick (2004)、Cai等(2007)文献并作修改。
图2 p115结构示意图
Fig.2 A schematic map of p115
参考Shorter等(2002)、Beard等(2005)文献并作修改。
图3 各种拴系复合体在分泌和胞吞途径中功能定位
Fig.3 Tethering complexes that act in the secretory and
endocytic pathways
参考Li等(2006)、Cai等(2007)、Koumandou等(2007)、Taka-
hashi等(2010)文献并作修改。
2 拴系因子在膜泡运输中的功能
2.1 拴系蛋白的功能
p115的功能包括参与内质网与高尔基体之间
的运输、高尔基体内部的运输以及正常高尔基体
的组建与维持(图3) (Waters等1992; Shorter等2002)。
p115二聚体与 t-SNARE syntaxin5和相应的v-
SNARE GOS28相互作用, 促进SNARE复合体的形
贾美慧等: 细胞内膜泡运输中拴系因子的功能 31
成, 介导囊泡融合过程。通过RNAi降低p115的表
达可导致高尔基体大量解体并且阻碍分泌途径
(Puthenveedu和Linstedt 2004)。使用抗体抑制p115
功能或敲除p115可使高尔基体逐渐瓦解, 即使在
BFA处理后洗去BFA, 高尔基体的结构也不能恢复
(Puthenveedu和Linstedt 2001)。膜泡运输过程中,
p115蛋白的各结构域起到不同的作用。例如p115
头部结构域HR1具有三脚架结构, 通过参与p115和
Rab1-GTP的结合来调控p115-Rab1-GTP复合体的
形成(An等2009), 促进内质网到高尔基体的膜泡运
输。最新研究显示, p115与COPI (coat protein com-
plex I)复合体的β-COP亚基之间有相互作用, 且不
影响其与Rab1-GTP的相互作用, 表明HR1可能还
有与其他蛋白质结合的位点或者是β-COP有与
Rab1相似的结构(Guo等2008)。HR2与COG复合
体有相互作用, 介导高尔基体内部的物质运输, 当
完全抑制HR2结构域时导致高尔基体解体, 内质网
与高尔基体之间的膜泡运输降低, 这与HR1的功能
是相同的, HR2的Glu201和Lys241与p115二聚体的
稳定性有关(Sohda等2007)。p115的C末端分别与
定位在COPI囊泡上的Giantin蛋白和定位在高尔基
体膜上的GM130蛋白相互作用, 将COPI囊泡拴系
到高尔基体膜上, 促进GOS-28–syntaxin5 SNARE
复合体的形成, 从而促进COPI囊泡在高尔基体上
的靶定(Dirac-Svejstrup等2000; Shorter等2002)。
因此, p115不仅通过迫使运输囊泡向靶膜靠近(即
拴系), 还通过提高形成复合体的几率加速囊泡融
合过程。
另外p115还是巨噬细胞移动抑制因子(mac-
rophage migration inhibitory factor, MIF)分泌过程
的重要调节因子(Merk等2009)。也有证据表明,
p115的C末端205个氨基酸片段(C-terminal frag-
ment, CTF)与细胞凋亡有关, 并且这种凋亡模式是
受细胞核调控的(Mukherjee和Shields 2009)。Taka-
hashi等(2010)在研究储藏蛋白质运输过程中筛选
得到一种新型maigo突变体——mag4, MAG4蛋白
含有3个结构域(N末端头部结构域、α-螺旋尾部结
构域和C末端酸性结构域), 与p115的结构域高度相
似。mag4突变体的种子储藏蛋白质运输受阻, 前
体大量蓄积并形成MAG2 Body, 植物体呈现矮小
表型, 实验表明MAG4在内质网和高尔基体间调控
储藏蛋白质运输, 并对植物生长发育有重要作用
(图3)。
2.2 拴系复合体的功能
多数拴系因子以复合体的形式相互协同作用
参与膜泡运输。下面我们按拴系复合体在细胞内
的功能定位, 逐次介绍其结构和功能(表1)。
2.2.1 内质网与高尔基体间的拴系因子 在内质网
与高尔基体之间的双向膜泡运输途径中主要存在
两种拴系复合体, 它们分别是在内质网到高尔基
体的正向运输过程中起作用的TRAPPI (transport
protein particle I)复合体和高尔基体到内质网的逆
向运输过程中起作用的Dsl1复合体(表1)。
TRAPPI介导内质网衍生的COPII囊泡与高尔
基体膜的拴系过程(图3) (Sacher等1998)。TRAPPI
亚基存在于所有的真核细胞中(Koumandou等
2007), 包含7个18~33 kDa的小亚基[2拷贝Bet3p
(Bet3p-A和Bet3p-B), 1拷贝的Bet5p、Trs20p、Tr-
s23p、Trs31p和Trs33p]和1个80 kDa的Trs85p蛋白
(Sacher等1998, 2000)。TRAPPI亚复合体包含1拷
贝的Bet5p、Trs23p和Trs31p以及2拷贝的Bet3p。
Bet3p-A、Bet5p、Trs23p和Bet3p-B沿亚复合体的
纵向方向排列, Trs31p结合在亚复合体的末端, 与
Trs23p和Bet3p-B相互作用(Cai等2008)。Bet5p和
Trs23p蛋白仅有20%的序列相似, 但是它们有相同
的立体结构。同样的结构还存在于Bet3p和Trs31p
蛋白中。Bet3p的N末端有α螺旋结构, 它在亚基相
互作用中起重要作用, 是复合体与Ypt1p分子结合
的桥梁(Kim等2006)。酵母TRAPPI在细胞中发挥
着鸟苷酸转换因子(guanosine exchange factor,
GEF)和拴系因子两大功能。酵母Ypt1 GTPase调
节内质网与高尔基体之间的膜泡运输过程, TRAP-
PI是Ypt1p的GEF, 其GEF活性需要至少4个亚基:
Bet3p、Bet5p、Trs23p和Trs31p, 它们对于TRAPPI
与Ypt1p的结合有重要作用(Kim等2006; Cai等
2008)。TRAPPI在介导囊泡拴系过程中, Bet3p亚
基与COPII上的Sec23p亚基相互作用, 使COPII囊
泡靶定在高尔基体膜上, 同时与Ypt1p结合位点结
合并激活Rab蛋白(Cai等2007, 2008)。哺乳动物细
胞中, TRAPPI复合体还介导两个同型COPII囊泡
之间的拴系过程, 这是通过位于TRAPPI复合体两
端的Bet3-A与Bet3-B完成的。由于复合体结构上
植物生理学报32
的对称性, 它们可同时分别与2个COPII囊泡上的
Sec23p相互作用完成拴系。
高尔基体到内质网的逆向运输过程中目前已
知的拴系因子是Dsl1复合体(图3、4), 是已知拴系
复合体中结构最为简单的一个, 包含Dsl1p、Dsl3p
(又称Sec39p)、Tip20p三个亚基, 它们与内质网
SNARE蛋白Ufe1p、Use1p和Sec20p形成稳定复合
体, 同时还与Sec22p有相互作用(图4) (Frigerio
1998; Tripathi等2009; Christoph等2011; Diefen-
bacher等2011)。在整个Dsl1复合体中, Dsl1p位于
复合体的中心位置。Dsl1p是膜外在蛋白, 由754个
氨基酸残基组成, 分为3个结构域: N末端200个氨
基酸残基是Tip20p结合结构域; 中间部分的酸性结
构域包含重要的色氨酸残基, 负责与δ-COP的结
合, 同时对细胞的发育能力也非常重要; C末端则
是高度保守的结构域, 与Dsl3p/Sec39p结合(Andag
和Schmitt 2003)。Tip20p也是膜外在蛋白, 它能与
内质网t-SNARE蛋白Sec20p的胞质端相互作用, 进
而与Ufe1p结合加速SNARE复合体的组装, Dsl1p
和Dsl3p能维持和稳定Use1p、Sec20p和Ufe1p组成
的SNARE复合体(Sweet和Pelham 1993; VanRheen-
en等2001; Tripathi等2009; Ren等2009; Christoph等
2011; Diefenbacher等2011)。Koumandou等(2007)
还提出Dsl1复合体是由Dsl1p、Tip20p、Sec20p和
Dsl3p四个亚基组成的。除高尔基体到内质网逆向
图4 Dsl1复合体和SNARE复合体以及COPI囊泡结合示意图
Fig.4 Model of the Dsl1 complex assembled with the SNARE
complex and docked COPI vesicle
参考Meiringer等(2011)、Diefenbacher等(2011)文献并作修改。
表1 各种拴系因子的组分和相互作用因子
Table 1 Components of each tethering factor and their interacting factors

拴系因子 组分
膜泡运输过程中相互作用的蛋白
衣被蛋白 小 GTPase SNARE 其他
p115/Uso1p β-COP Rab1 GOS-28, syntaxin5 Giantin, GM130,
COG2
TRAPPI Bet3p, Bet5p, Trs20p, Trs23p, Sec23p Ypt1p
Trs31p, Trs33p, Trs85p
TRAPPII Bet3p, Bet5p, Trs31p, Trs33p, Rab1, Ypt31p
Trs23p, Trs20p, Trs65p, Trs85p,
Trs120p, Trs130p
Dsl1/ZW10/MIP Dsl1p, Tip20p, Dsl3p/ ZW10, δ-COP Sec20p, Use1p, Ufe1p,
RINT-1, NAG/ MAG2, MIP1, Sec22p/syntaxin18,
MIP2, MIP3 BNIP1, p31/ AtUfe1,
AtSec20
GARP/VFT Vps51p,Vps52p, Vps53p, Vps54p Ypt6p, Arl1p Tlg1p, syntaxin6,
syntaxin16, Vamp4
COG COG1p, COG2p, COG3p, COG4p, γ-COPI Ypt1p, Ypt6p Gos1p/GS28, Ykt6p, Sly1, p115
COG5p, COG6p, COG7p, COG8p Sed5p, Sec22p
HOPS Vps11, Vps16, Vps18, Vps33, Ypt7 Vam7, Vam3p, VCL1
Vps39, Vps41
exocyst SEC3, SEC5, SEC6, SEC8, SEC10, SEC4, RHO1, Sec1p
SEC15, EXO70, EXO84 RHO3, CDC42
CORVET Vps11, Vps16, Vps18, Vps33, Rab5 Pep12, Vam3
Vps8, Vps3

贾美慧等: 细胞内膜泡运输中拴系因子的功能 33
运输过程外, Sec20p、Dsl3p和Dsl1p还与过氧化物
酶体的形成及装配有密切关系(Perry等2009)。
哺乳动物ZW10、RINT-1、BNIP1和NAG分
别是酵母Dsl1p、Tip20p、Sec20p和Dsl3p的同源
蛋白(Hirose等2004; Aoki等2009)。ZW10、RINT-1
和NAG形成复合体, 其功能与酵母Dsl1复合体相
似, 能够与定位在内质网上的3种t-SNARE (syntax-
in18、BNIP1和p31)相互作用, 在高尔基复合体到
内质网的逆向运输中发挥作用, ZW10或RINT-1缺
失将导致高尔基体形态异常, 抑制蛋白质从高尔
基体向内质网的逆向运输(Hirose等2004; Inoue等
2008; Aoki等2009)。ZW10最初是作为有丝分裂的
调控因子被发现的, 在染色体分离过程中发挥作
用(Williams等1992), 而后, 在syntaxin18复合体研
究中首次揭示ZW10与膜泡运输相关(Hirose等
2004)。RINT-1最初也是作为细胞周期调控因子被
发现的(Xiao等2001), 最近发现RINT-1能够与
ZW10和NAG形成复合体, 调节高尔基体与内质网
间的膜泡运输过程(Hirose等2004; Aoki等2009)。
RINT-1通过连接ZW10与syntaxin18复合体的相互
作用调控ZW10的定位和功能。BNIP-1是SNARE
蛋白, 最初发现能与抗细胞凋亡的腺病毒E1B (19
kDa)相互作用, 后续研究表明它是Sec20p的同源基
因 , 对内质网结构的组成具有重要作用 , 能与
RINT-1相互作用(Nakajima等2004)。NAG最初是
在肿瘤细胞中发现能够与癌基因MYCN共增殖
(Scott等2003), 最近发现它是Sec39p的同源蛋白,
具有2 374个氨基酸, 中部含有Sec39结构域, 能够
调节高尔基体向内质网膜泡运输过程 (Aoki等
2009)。Sec39p在蛋白质分泌过程以及高尔基体向
内质网的逆行运输过程中发挥作用(Kraynack等
2005)。研究发现NAG通过其N末端和C末端分别
与p31和ZW10-RINT-1相互作用, 当SNARE复合体
解聚时, NAG从syntaxin18复合体上分离但仍然存
在于p31-ZW10-RINT-1亚复合体中。NAG缺失时
p31表达下降, 影响高尔基体回收蛋白的重新分布,
并使蛋白质糖基化发生缺陷(Aoki等2009)。
李立新等(2006)发现, 拟南芥MAG2是Tip20p
和RINT-1的同源基因, 是内质网膜表面蛋白, 能够
与内质网t-SNARE AtUfe1和AtSec20相互作用, 在
种子储藏蛋白质的运输中起重要作用。mag2突变
体中, 种子储藏蛋白运输受阻, 储藏蛋白以前体形
式停滞于内质网中形成MAG2 Body。在我们的近
期研究中发现了3种新型MIP (MAG2-interacting
protein)蛋白——MIP1、MIP2和MIP3。MIP1是
ZW10同源蛋白; MIP2是NAG同源蛋白, 含有Sec39
结构域; MIP3是新型蛋白, 含有Sec1结构域。MIP
蛋白能够与MAG2在内质网膜上形成稳定复合体,
在膜泡运输过程中共同发挥作用。MIP复合体与
Dsl1p复合体可能和RINT1-ZW10复合体相似, 调
控高尔基体向内质网的逆行运输(图3)。另外, Lee
等 (2006)发现HIT1是酵母高尔基体拴系蛋白
VPS53p的同源蛋白, HIT1在一定程度上能互补酵
母vps53p突变体。拟南芥hit1突变体对持续的高温
超敏感, 37 ℃连续培养4 d会导致突变体致死, 在幼
苗发育阶段该突变体对渗透胁迫较敏感。MAI-
GO2和HIT1的发现开启了拟南芥拴系因子的研究
进程。
2.2.2 高尔基体内部和高尔基体与内涵体之间的
拴系因子 内涵体-高尔基体和高尔基体内部至少
有4种拴系复合体, 分别是TRAPPII、GARP/VFT、
COG (conserved oligomeric Golgi)和CORVET (图
3、表1) (Cai等2007)。
TRAPPII也具有拴系因子和GEF两个功能, 在
内涵体-高尔基体以及高尔基体内部运输过程中发
挥功能, 包括Trs31p、Trs33p、Trs23p、Trs20p、
Trs65p、Trs85p、Trs120p、Trs130p、Bet3p和
Bet5p亚基。Trs65p、Trs120p和Trs130p是TRAP-
PII所特有亚基, 而Bet5p、Trs20p、Trs23p、Tr-
s31p、Trs33p和Trs85p是TRAPPII与TRAPPI的共
同成分(Sacher等2001)。关于Trs85p, Lynch-Day等
(2010)则认为它既不存在于TRAPPI中也不存在于
TRAPPII中, 而是特异的存在于一个新的TRAPPIII
复合体中。Trs65p分子量约65 kDa, 定位于trans-
Golgi, 与Trs120p、Trs130p有直接的相互作用, 在
TRAPPII复合体的组装过程中起作用。trs65突变
体中, TRAPPII的GEF功能有缺陷, Ypt31p/32p的分
布也受到影响(Sacher等2000; Liang等2007; Tokar-
ev等2009)。Trs120p分子量约120 kDa, 能增强Tr-
s130p在TRAPPII复合体结构中的稳定性, 对维持
TRAPPII的结构和功能有重大意义(Sacher等2000;
Morozova等2006)。trs120突变体中, 形态异常的
植物生理学报34
膜结构累积并形成类似于Berkeley bodies的结构,
导致early endosome-late Golgi之间的循环运输受
阻。Trs120p可能还参与依赖于COPI的early endo-
some运输途径(Cai等2005)。Trs130p分子量约130
kDa, 缺失TRS130基因会导致高尔基体内部以及
trans Golgi-质膜之间的膜泡运输受阻。Trs130p与
细胞内Ypt31/Ypt32和Ypt1的准确定位有密切关系,
Trs130p与Ypt31p相互作用来完成TRAPPII的GEF
功能, 同时抑制TRAPPI对Ypt1的GEF功能(Sacher
等2000, 2001; Morozova等2006)。酵母中, TRAP-
PII定位于late Golgi/early endosome, 负责膜泡运
输, 并且能与Ypt31p相互作用来发挥其GEF功能。
然而在哺乳动物细胞中, mTRAPPII特异地与Rab1
相互作用发挥GEF功能来完成COPI囊泡与early
Golgi之间的拴系过程(Yamasaki等2009)。拟南芥
AtTrs130p与植物细胞有丝分裂过程中赤道板的形
成有关, 其突变体中赤道板的形成受到干扰(Jaber
等2010)。Morozova等(2006)提出一个关于TRAP-
PI与TRAPPII的动态模型: 真核细胞中TRAPP复合
体是保守的, TRAPPI定位在cis-Golgi作为Ypt1p的
GEF发挥功能, 是GTPase进入cis-Golgi所必须的。
在trans-Golgi, Trs120与Trs130组成亚复合体, 和
TRAPPI形成TRAPPII复合体, 与Ypt1p形成GEF分
子开关, 这是GTPase离开高尔基体所必须的。尽
管如此, TRAPPII的功能尚有很多不能确定的, 需
要进一步的研究探索。
GARP/VFT定位于late Golgi, 负责高尔基体蛋
白从内涵体的回收, GARP复合体高度保守, 包括4
个亚基 : Vps51p/52p/53p/54p (Oka和Krieger
2005)。GARP的Vps52p亚基直接与Ypt6p结合, 这
种结合对late Golgi与内涵体之间的膜泡运输是非
常重要的(Bensen等2001)。酵母细胞中, Vps51p能
与t-SNARE Tlg1p的N末端直接相互作用, 参与内
涵体和late Golgi之间的膜泡运输(Conibear等
2003)。GTP存在条件下, Vps53p能与小GTPase
(small GTPase) Arl1p相互作用(Lu等2004)。
Vps54p的N末端对GARP复合体的组装及稳定性
有重要作用, 而C末端调节其自身在early endosome
的定位(Quenneville等2006)。Vps52p与Vps53p、
Vps54p以1:1:1的比例形成稳定的复合体, 参与高
尔基体反面网状结构(trans Golgi network, TGN)驻
留蛋白的循环运输(Conibear和Stevens 2000); 酵母
中, GARP复合体还与减数分裂和孢子形成有关
(Morishita等2007)。哺乳动物GARP/VFT复合体仅
由Vps52、Vps53和Vps54组成 , 没有鉴定到
Vps51。哺乳动物GARP/VFT复合体在完成其拴系
功能后, 能够特异性地直接和参与内涵体到TGN
逆向运输的SNARE相互作用, 如syntaxin6、synta-
xin16和Vamp4等, 以促进SNARE复合体的组装
(Pérez-Victoria和Bonifacino 2009)。在拟南芥中,
AtVPS52/POK能够调控花粉管的萌发及生长
(Guermonprez等2008), 可能与AtVPS53和AtVPS54
形成复合体在此过程中发挥作用, 但关于其机制
还有待于进一步研究阐明。
COG复合体定位于高尔基体层板的胞质侧表
面, 负责高尔基体驻留蛋白的逆向运输。COG复
合体包含8个亚基, 分别被命名为COG1~COG8
(Ungar等2002)。酵母COG可分为两部分, 各由
COG1p~COG4p和COG5p~COG8p组成。这两部
分通过细棒状及球状结构连接在一起。COG1p亚
基是连接这两部分的桥梁(Fotso等2005)。与此类
似 , 哺乳动物细胞COG复合体的两部分是通过
COG1和COG8连接的(Ram等2002)。酵母细胞中,
COG复合体与intra-Golgi的逆向运输以及内涵体-
高尔基体间的运输有关(Ram等2002)。COG1p对
COG复合体在高尔基体的定位至关重要 , 但是
Quental等(2010)发现COG的定位受多个亚基调
控。完整的COG复合体对于高尔基体形态及功能
的维持是必要的, 单个亚基的缺失会导致高尔基
体形态发生异常(Ungar等2002), 影响细胞乃至整
个组织的功能。中国仓鼠卵巢细胞(Chinese ham-
ster ovary cell, CHO cell)中COG1或COG2亚基的
缺失阻碍高尔基复合体向内质网的逆行运输过程,
导致高尔基体形态异常, 使某些蛋白质如糖基化
酶发生错误定位, 影响糖基化过程。最严重的症
状是COG7缺失造成的, 临床表现为产后早期致
死。COG8缺失造成神经衰退、小脑萎缩和肌张
力减退等, 而COG1突变导致精神运动性迟滞。
Reynders等(2009)发现COG4亚基的缺失或突变会
导致新型的先天性II型糖基化紊乱(CDG-II), 称为
COG4缺陷(COG4/CDG)或CDG-IIj, COG4突变影
响膜泡运输过程中的一些调控因子的回收过程。
贾美慧等: 细胞内膜泡运输中拴系因子的功能 35
作为拴系因子, COG复合体与多种上下游因子相
互作用促进运输囊泡与靶位膜的融合。如Rab蛋
白和SNARE蛋白都调控COG与高尔基体的结合。
真核细胞中蛋白质运输是受Rab家族的小GTPase
调控的。酵母COG复合体与Rab蛋白Ypt1p和
Ypt6p相互作用。体外试验证明COG复合体优先
与Ypt1p结合, 过表达Ypt1p能使缺失COG复合体导
致的生长上的缺陷得到恢复; 而同时缺失Ypt6p和
COG复合体的一个亚基能使细胞致死, 表明Rab蛋
白对COG的重要调控作用(Suvorova等2002)。酵
母COG复合体能与高尔基体的SNARE-Sed5p、
Gos1p、Ykt6p和Sec22p免疫共沉淀(Suvorova等
2002), 哺乳动物COG复合体能与GS28/Gos1p免疫
共沉淀(Zolov和Lupashin 2005)。当COG复合体有
功能缺陷时, 高尔基体SNARE的定位、SNARE复
合体的形成和稳定性就会受到影响(Laufman等
2009)。此外, COG复合体还与γ-COPI有相互作用,
COPI囊泡在运输过程中负责高尔基体层板间及高
尔基体到内质网的逆向运输(Suvorova等2002)。
综上所述, COG复合体与SNARE、Rab、COPI衣
被蛋白相互配合完成膜泡运输过程。此外, COG
复合体还参与货物在内质网的分选过程, 与内质
网到高尔基体的正向运输有关(Fotso等2005)。另
外, 在自噬过程中, COG复合体与双层膜结构自噬
泡的形成有关, COG亚基突变会导致自噬泡的重
要膜组分 , 如Atg8和Atg9定位出现异常(Yen等
2010)。
CORVET复合体分布于内涵体, 调控late-Gol-
gi与内涵体之间的膜泡运输拴系过程(Cai等2007),
CORVET和HOPS (homotypic fusion and protein
sorting)都属于Vps-C复合体, 具有多种生物学功
能 : 拴系生物膜、促进Rab核苷酸转换、引导
SNARE装配进而使膜融合, 可能还发挥泛素连接
酶功能(Nickerson等2009)。Vps-C复合体都含有一
个由Vps11、Vps16、Vps18和Vps33组成的核心区
域, 除此之外, CORVET复合体还包含Vps8和Vps3
两个亚基, 他们与HOPS特有的Vps39和Vps41具有
同源性(Price等2000a, b)。CORVET的结构与
HOPS十分相似, 并且CORVET与HOPS可以通过
组成成分的改变互相转化(Nickerson等2009)。
Vps-C核心亚基SM蛋白Vps33同时定位于内涵体
和液泡, 这是因为它同时参与CORVET和HOPS复
合体的组成 , 分别能与内涵体和液泡上的Qa-
SNARE蛋白Pep12和Vam3相互作用(Gerrard等
2000; Darsow等1997)。CORVET与Rab5的种间同
源蛋白Vps21有相互作用(Peplowska等2007)。
Vps8与Vps21的表达量上调会导致MVB (multive-
sicular bodies)聚集(Markgraf等2009)。Vps3和
Vps39的C-末端结构域具有极强的序列相似性, 但
是Vps39的N末端Rab结合位点保守性很低(Caplan
等2001)。
2.2.3 内涵体与液泡之间的拴系因子 HOPS复合
体分布于液泡, 在内涵体与液泡间膜泡运输的拴
留及融合阶段发挥关键性作用 (图3) (Pr ice等
2000b)。HOPS复合体由6个亚基组成, 除了Vps-C
核心亚基外, 还包含Vps39和Vps41两个亚基。
HOPS亚基Vps39/Vam6具有GEF功能, 能激活液泡
Rab Ypt7, Vps41作为直接的效应因子与Ypt7结合,
连接HOPS复合体与激活的GTP-Ypt7, 进而促进
HOPS与液泡膜的结合(Wurmser等2000; Cabrera等
2009)。Vps39和Vps41突变将导致液泡高度断片
化。Vps41还与AP-3 (adapter protein complex 3)小
泡的形成有关, AP-3小泡的功能是将经筛选的液
泡蛋白从高尔基体运输到液泡中(Rehling等1999)。
HOPS在促进膜融合过程中不是识别单个SNARE
蛋白, 而是通过识别SNARE复合体来发挥功能的,
一般是通过两个结合位点与液泡SNARE复合体及
Vam7的PX结构域结合促进液泡的融合过程(Col-
lins和Wickner 2007; Krämer和Ungermann 2011)。
在拟南芥中, VCL1是酵母中液泡膜上负责调控膜
融合的蛋白Vps16p的同源蛋白, Vps-C复合体的两
个亚基AtVps11和AtVps33与VCL1在液泡膜上形
成复合体, 能够调控液泡形成过程(Rojo等2003)。
HOPS复合体还能与酸性磷脂及多种SNARE蛋白
结合(Collins等2005; Stroupe等2006)。但关于
HOPS如何直接促进trans-SNARE复合体的形成目
前尚未阐明, 先前已有研究表明SM蛋白能够促进
trans-SNARE复合体的形成(Rizo和Sudhof 2002),
而HOPS复合体中Vps33亚基就是一种SM蛋白, 它
是Sec1/Munc18蛋白的同源蛋白, HOPS复合体通
过该亚基与SNARE复合体结合, Vps33突变影响由
半融合向融合的过渡, 从而阻碍HOPS与SNARE复
植物生理学报36
合体的相互作用(Pieren等2010)。哺乳动物中Vp-
s33A和Vps33B缺失将会分别导致产生Hermansky-
Pudlak综合征(HPS)和关节痉挛、肾功能不全、胆
汁淤积综合征(arthrogryposis, renal dysfunction and
cholestasis, ARC) (Gissen等2004)。最新研究表明
HOPS不仅能够促进trans-SNARE复合体的形成,
还能阻止Sec17p/Sec18p介导的trans-SNARE复合
体分解, 并且校正trans-SNARE的结构, 这是其他
拴系因子没有的功能(Hickey和Wickner 2010; Xu
等2010)。
2.2.4 质膜与内涵体/late-Golgi之间的拴系因子
Exocyst定位于质膜, 参与运输囊泡与质膜的拴系
和融合(Munson和Novick 2006)。Exocyst对细胞生
长、细胞极性的建立、动物细胞神经传导、植物
细胞和真菌细胞壁的形成等许多过程都十分重要,
这些过程都需要将物质运输到质膜或者分泌到细
胞外部的环境中。Exocyst由SEC3、SEC5、
SEC6、SEC8、SEC10、SEC15、EXO70和EXO84
八个亚基组成(Hsu等2004; Tsuboi等2005)。酵母
和哺乳动物中, 每个exocyst亚基都由单一的基因
编码(Elias等2003), 拟南芥中, SEC6和SEC8由单一
基因编码, 而SEC3、SEC5、SEC10和SEC15都由2
个基因编码, EXO84由3个基因编码, 而EXO70由
23个基因编码。EXO70的植物特异性多基因编码
说明其在植物发育过程不同时期或不同区域发挥
相同或者不同的功能。出芽酵母增殖时通过活跃
的胞吐作用为后代细胞提供营养物质, exocyst对
细胞的极性胞吐作用十分重要。缺失任何exocyst
亚基都会抑制胞吐作用, 导致分泌囊泡在出芽区
域细胞质内的累积(Hsu等2004; Munson和Novick
2006; Zhang等2008; Songer和Munson 2009)。在酵
母菌出芽和其后的细胞生长过程中, exocyst的8个
亚基都累积在胞吐作用旺盛的生长活跃位点即母
细胞和子细胞连接的部分 , 以及分泌旺盛部位
(Zhang等2005)。Exocyst的亚基定位到膜上的机制
有两种 , 大多数亚基 (SEC5、SEC6、SEC8、
SEC10、SEC15和EXO84)是附着在分泌囊泡上运
输到作用位点的, 这种运输是依赖于肌动蛋白形
成的运输轨道(Hutagalung等2009)。而SEC3则不
依赖于肌动蛋白和已有分泌机制, 酵母SEC3招募
到质膜是通过它与质膜内的PI(4,5)P2 (phosphati-
dylinositol 4,5-bisphosphate)和Rho家族GTPase结合
来完成的。SEC3被用作识别分泌位点以及其他
exocyst亚基被招募到达胞吐作用位点的标识。
EXO70在质膜上的极性分布部分依赖肌动蛋白,
同时, EXO70与质膜内的PI(4,5)P2和Rho家族GT-
Pase结合定位到质膜上。干扰酵母SEC3和EXO70
与PI(4,5)P2的相互作用或者降低细胞内PI(4,5)P2的
含量都会抑制exocyst在质膜上的组装。动物中的
这种PI(4,5)P2与SEC3和EXO70的相互作用是和酵
母中相同的, 而在植物中还没有相关研究。但是,
exocyst组分与PI(4,5)P2的作用不足以决定exocyst
的极性分布, 因为PI(4,5)P2本身不具有极性分布特
点。另外SEC3是激活状态的Rho家族GTPase
CDC42和RHO1的下游受动器, 在cdc42或者rho1突
变体中, exocyst无法定位到质膜上(Finger等1998;
He和Guo 2009; Hutagalung等2009; Zhang等2008,
2001)。EXO70能与RHO家族GTPase RHO3相互
作用, 但是通过突变EXO70来破坏它们之间的相
互作用并不能干扰exocyst的定位或功能(He和Guo
2009)。另外, SEC15与Rab GTPase SEC4的相互作
用对exocyst的组装也十分重要(Guo等1999)。
3 膜泡运输过程中与拴系因子相互作用的因子
膜泡运输过程是通过出芽、转运、拴系和融
合4个过程完成的, 在整个运输过程中, 除了拴系
因子外, 还有其他一些调节因子发挥着重要功能,
例如Rab、SM、coat和SNARE等。Rab蛋白是小
分子GTP (三磷酸鸟苷)结合蛋白家族(由Ras、
Rho/Rac/Cdc42 Ran、Sar/Arf、Rab等亚家族组成)
中最大的亚家族。Rab蛋白是一种单体形式的
GTP结合蛋白, 作为膜泡运输的分子开关, 与其上
游调控因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, 在膜泡运输的不同
阶段发挥作用。不同的拴系因子需要不同的Rab
蛋白参与其中共同发挥作用。高尔基体TRAPP复
合体与Rab1/Ypt1相互作用(Wang等2000), 而GARP
复合体是在内涵体-高尔基体运输过程中与Rab
Ypt6p协作(Conibear等2003), Dsl1复合体与Ypt1p
是内质网-高尔基体运输途径所必需的(Kraynack
等2005; Kamena等2008)。源于高尔基体的囊泡运
向质膜的过程中exocyst与Rab SEC4相互作用
(Grosshans等2006)。
贾美慧等: 细胞内膜泡运输中拴系因子的功能 37
SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能,
它是由100~300个氨基酸组成的小分子量蛋白质,
在动物、植物和酵母间高度保守。其结构比较简
单, 通常含有C末端结构域、SNARE motif和N末
端结构域(Hong 2005)。多数SNARE蛋白的C末端
含有单个跨膜结构域, 使SNARE蛋白锚定在膜结
构上, 其胞质端连接SNARE基序, 该结构域在进化
上高度保守 (Weimbs等1997; Jahn和Schel ler
2006)。相比SNARE基序的高度保守性, N末端类
型较为多样化 , 能够与一些调节因子如拴系因
子、SM蛋白等相互作用调节SNARE复合体的形
成(Jahn和Scheller 2006)。拴系因子能够通过与运
输囊泡的衣被蛋白相互作用, 促进trans-SNARE复
合体的形成(Shorter等2002)。p115能够选择性的
与COPII囊泡的SNARE蛋白相互作用, 而SNARE
蛋白在募集p115的过程中发挥重要作用。因此,
SNARE蛋白在膜泡融合初期拴系蛋白回收机制中
具有重要的调节作用(Bentley等2006; Brandon等
2006)。GARP复合体亚基Vps51p能够与SNARE蛋
白Tlg1p的N末端相互作用从而介导从内涵体向
late Golgi的运输过程(Conibear等2003; Conibear和
Stevens 2000)。Exocyst能与Sec1p结合, 形成复合
体(Wiederkehr等2004)。HOPS中Vps33能够与液
泡 t -SNARE Vam3p结合(Laage和Ungermann
2001)。COG能够与intra Golgi的 SNARE蛋白相互
作用, Dsl1能够与内质网SNARE蛋白相互作用, 维
持SNARE复合体的稳定(Suvorova等2002; Zolov和
Lupashin 2005; Kraynack等2005)。
在货物分选以及供体膜出芽形成转运囊泡的
过程中衣被蛋白至关重要。近期的研究表明衣被
蛋白还与转运囊泡同源与靶膜结合的准确性有
关。衣被蛋白可分为两类, 分别是COPI和COPII,
它们分别参与到高尔基体-内质网之间的顺行和逆
行运输过程中(Cai等2007)。许多拴系因子与衣被
蛋白具有相互作用, 如哺乳动物Hela细胞中COG3
亚基的缺失导致COPI衣被的异常积累, 哺乳动物
和酵母COG都能特异性的与COPI亚基相互作用
(Suvorova等2002; Zolov和Lupashin 2005)。TRAP-
PII和Dsl1也能够与COPI亚基特异性相互作用, 尽
管TRAPPI与TRAPPII具有共同的亚基组分, 但只
有TRAPPI能够直接与COPII囊泡结合(Sacher等
2001)。
大多数SM蛋白都能与SNARE蛋白syntaxin高
效结合。体外结合实验和酵母双杂交实验证明,
每个SM蛋白与一个或两个syntaxin特异性地结
合。不同的SM蛋白与syntaxin的结合方式不同
(Toonen和Verhage 2003)。酵母细胞中有4种SM蛋
白, 分别为Sec1p、VPS45p、Sly1p和VPS33p。根
据氨基酸序列推测, 拟南芥中含有6种SM蛋白, 分
别为KEULE、AtSEC1a、AtSEC1b、AtVPS45、
AtSLY1和AtVPS33, 其中KEULE、AtSEC1a和
AtSEC1b属于Sec1家族成员(Sanderfoot等2000; 金
红敏和李立新2010)。目前SM与syntaxin至少有4
种结合的模型: (1)封闭结构结合模式, 如Munc18;
(2)结合SNARE复合体模式, 如Sec1p; (3)与syntaxin
结构无关只与保守的N末端结合模式, 如Sec1p; (4)
通过多聚蛋白质复合体结合模式, 如Sly1和Vps45
(Toonen和Verhage 2003)。研究发现在哺乳动物细
胞中COG复合体通过COG4亚基能够直接与SM蛋
白Sly1相互作用, 破坏COG4-Sly1的相互作用将影
响高尔基体上SNARE复合体的形成, 进而阻碍高
尔基体-内质网的逆行运输过程(Laufman等2009)。
4 膜泡运输的生物学意义
膜泡运输是细胞内或细胞间不同细胞器进行
信息交流的基本方式。运输囊泡为多种细胞器提
供所需的蛋白质和脂类, 并将蛋白质、脂类和信
号分子运输到质膜或胞内空间, 错误的运输会改
变细胞的性质甚至影响其正确行使功能。运输囊
泡运输多种参与典型细胞活动的因子, 包括植物
生长发育、胁迫响应及病原体防御等。拟南芥前
液泡体Qb-SNARE VTI11缺失会使内胚层细胞中
的淀粉粒无法正常沉积在细胞底部, 阻碍茎的重
力感应性(Kato等2002; Yano等2003)。VTI11突变
体的液泡水解酶无法正确运输至液泡, 阻碍液泡
正常发挥功能(Sanmartín等2007)。MAG4或MIP拴
系复合体在拟南芥储藏蛋白质的运输过程中发挥
重要的作用, 在mag4、mag2和mip突变体种子细胞
中, 贮藏蛋白质前体异常蓄积形成新型结构MAG2
Body, 严重影响蛋白质品质(Li等2006; Li等Plant
Cell投稿中; Takahashi等2010)。拟南芥AtVPS35负
责调控储藏蛋白质的液泡分选过程, 影响蛋白质
储藏型液泡的形成, 参与胚胎发生、植物生长和
植物生理学报38
叶片衰老过程(Yamazaki等2008)。拟南芥exocyst
复合体亚基SEC8调控花粉萌发和极性花粉管生长
(Cole等2005)。SYP4家族在植物发育过程中发挥
重要作用, 定位在TGN上的SYP41和SYP42基因缺
失会导致配子体纯和致死(Sanderfoot等2001a, b)。
定位于质膜上的SYP1家族蛋白在分泌蛋白的运输
中发挥重要作用, SYP111缺失会抑制运输囊泡在
细胞板处的融合过程, 细胞板形成受阻, 胞质分裂
无法正常完成, 造成体积增大的多核细胞(Lauber
等1997)。在细胞分裂期定位在细胞板上的SYP31
参与膜融合过程, 与AtCDC48协同合作调节植物
细胞板形成及胞质分裂(Rancour等2002)。HOPS
是液泡发生所必需的(Rojo等2003), exocyst在花药
及根尖生长、下胚轴伸长等过程中发挥关键作用
(Hála等2008; Chong等2010)。拟南芥中一些GARP
突变体呈现出花粉顶端生长受抑制的表型(Lobstei
等2004; Guermonprez等2008), 并且对热胁迫和渗
透压胁迫较为敏感(Lee等2006), TRAPPII突变将严
重破坏胞质分裂过程, AtTRS120突变致使无法形
成细胞板影响胞质分裂过程, 导致植物幼苗期致
死(Thellmann等2010)。位于烟草质膜上的syntaxin
蛋白NtSyr1缺失不仅会影响高尔基体和质膜间的
膜泡运输过程, 还会抑制涉及钾和氯离子通道的
ABA应答反应(Leyman等1999; Sokolovski等
2008)。拟南芥syntaxin蛋白AtSyp121缺失的pen1
突变体中白粉病病原体能够侵入细胞, 但是病原
体侵入部位细胞迅速死亡 , 限制病原菌的增殖
(Collins等2003; Enami等2009)。如酵母COG复合
体亚基COG1~COG4亚基的缺失会导致酵母菌产
生生长缺陷, 在一些多细胞组织中, COG亚基的缺
失还会破坏高尔基复合体的结构和功能。哺乳动
物HOPS的Vps33A和Vps33B缺失将会分别导致产
生HPS和ARC (Gissen等2004)。
总之, 膜泡运输不仅负责最基本的物质运输,
目前酵母和哺乳动物中拴系因子的研究已趋于成
熟, 植物中对拴系因子的研究尚处于初始阶段, 关
于植物中拴系因子的组分、功能及发挥作用的分
子机制还有待于进一步的研究阐明。
5 问题与展望
酵母和哺乳动物拴系因子的研究取得了一定
成果, 但植物中的研究还处于起步阶段。关于拴
系模型的研究也在不断发展, 最初拴系因子的作
用只是像桥梁将膜结构连接起来, 随着研究的不
断深入发现它们还在膜融合过程发挥作用。拴系
因子通过与多种蛋白质相互作用促进多种活动的
发生, 如能够结合衣被蛋白、SNARE蛋白和其他
种类的拴系因子, 从而促使膜结构彼此识别和膜
融合过程的发生。另外, 拴系因子可能参与货物
蛋白的分选过程, 因此拴系因子很可能在囊泡的
形成及融合过程中均发挥作用。
在拴系因子的组成及定位方面的研究已经逐
渐成熟, 但关于其功能仍存在许多关键问题, 如拴
系因子与衣被蛋白间的关系如何？在膜泡运输过
程的特定阶段拴系因子如何调控最初的去衣被过
程？某些拴系因子存在于特定的结构域, 而有一
些则在多个结构域定位及发挥功能, 关于特异性
定位的拴系因子如何回收、如何在不同膜结构间
调控拴系过程？在膜泡运输过程的特定阶段需要
多种拴系因子发挥不同的功能, 不同的拴系因子
在此过程中发挥功能是随机还是并行？不同拴系
因子之间的相互作用又是如何调节的？对于这些
问题还有待于进一步的研究阐明。利用生物化
学、遗传学、分子生物学、结构学等多学科多种
研究手段的结合, 将会为阐明拴系因子的作用机
制及深入了解膜泡运输过程提供重要的理论依据
和研究手段。除了利用传统的研究方法, 对于复
杂组织中拴系因子缺失所产生的影响进行研究也
逐渐成为研究其功能的重要方法, 从而更加深入
的了解其作用的分子机制, 为动物生理学研究及
人类疾病的治疗开辟新思路。
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