ESCRT系统_一个多功能的蛋白转运及膜剪切机器.pdf

1、ISSN 1007-7626CN 11-3870 /Q中国生物化学与分子生物学报 http: / /cjbmb bjmu edu cnChinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology2013 年 2 月29( 2) : 99 109综述 收稿日期 : 2012-09-19; 接受日期 : 2012-11-14国家自然科学基金 ( No 31070682) ， 中央高校基本科研业务费专项资金和教育部留学回国人员科研启动基金资助项目*联系人 Tel: 010-58808197; E-mail: yangdong bnu edu cnRece

2、ived: September 19， 2012; Accepted: November 14， 2012Supported by National Natural Science Foundation of China ( No 31070682) ， Fundamental Research Funds for the Central Universities and ScientificResearch Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars， Ministry of Education*Corresponding au

3、thor Tel: 010-58808197: E-mail: yangdong bnu edu cnESCRT 系统 : 一个多功能的蛋白转运及膜剪切机器黄 欢 ， 李万杰 ， 杨 冬*( 北京师范大学生命科学学院 ， 北京市基因工程药物与生物技术重点实验室 ，教育部细胞增殖与调控实验室 ， 北京 100875)摘要 转运必需内体分选复合物 ( endosomal sorting complex required for transport， ESCRT) 系统是真核细胞中完成内体 ( endosome) 膜内陷以形成多囊泡体 ( multi-vesicular body， MVB) 的分子

4、机器 其主要功能是促进被泛素 ( ubiquitin) 标记的膜蛋白的降解 ， 还与细胞分裂 、病毒出芽 、细胞自噬以及真菌 pH 感知相关 ESCRT 系统包括 ESCRT-0， -， -， -和 Vps4-Vta1 共 5 个蛋白 -蛋白复合物 晶体学研究已经解析了大部分复合物的结构 其促使膜内陷的分子机理一般认为分 3 步 首先是ESCRT-和 -在内体膜上结合并促使内体膜内陷形成初始芽体 之后 ， ESCRT-在芽体颈部聚合并导致芽体的剪切 ， 从而将内腔囊泡 ( intralumenal vesicles， ILVs) 释放到内体腔内 ， 形成 MVB最后 ， Vps4 /Vta1

5、复合物则以水解 ATP 提供能量将聚合的 ESCRT-解聚以循环使用 ， 完成更多的出芽过程 本文将对 ESCRT 系统的结构 、出芽机理和生物功能几方面做一个综述 关键词 转运必需内体分选复合物 ; 膜转运 ; 内体 ; 多囊泡体中图分类号 Q28; Q71ESCRT System: a Multifunctional Machine forProtein Trafficking and Membrane ScissionHUANG Huan， LI Wan-Jie， YANG Dong*( Beijing Key Laboratory of Gene Engineering and Bio

6、technology， Key Laboratory of Cell Proliferation and RegulationBiology of Ministry of Education， College of Life Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China)Abstract The endosomal sorting complex required for transport ( ESCRT) system is essential for thedegradation of ubiquitinated m

7、embrane proteins and comprises a major pathway for MVB ( multi-vesicularbody) formation ESCRT is also involved in retrovirus budding， cell division， autophagy and fungi pHsensing Five protein complexes were identified in the ESCR system: ESCRT-0， -， -， - andVps4-Vta1 ESCRT- and - induce the formatio

8、n of the initial bud during the budding processESCRT- forms a lattice at the endosomal membrane and completes the scission at the bud neck， andVps4-Vta1 complex finally disassembles the ESCRT- lattice to recycle ESCRT machinery componentsThis review summarizes the structural features， budding mechan

9、ism and biological roles of the ESCRTsystemKey words endosomal sorting complex required for transport ( ESCRT ) ; membrane trafficking;endosome; multi-vesicular body中国生物化学与分子生物学报 第 29 卷转运必需内体分选复合物 ( endosomal sortingcomplex required for transport， ESCRT) 系统是真核细胞中完成膜蛋白分拣的重要分子机器 研究表明 ，由泛素标记的膜蛋白先通过胞吞作用

10、被转运到内体膜上 之后通过 ESCRT 系统导致内体膜的内陷 ， 从而将含有这些膜蛋白的膜组分释放到内体腔内形成内腔囊泡 ( intralumenal vesicles， ILVs) 此时的内体被称为多囊泡体 ( multi-vesicular bodies， MVBs) 之后 ， 通过与溶酶体的融合 ， 内腔囊泡及其膜上的蛋白都会被降解 1-4 这一过程是多种膜结合受体的下调途径 比 如 ， 表 皮 生 长 因 子 受 体 ( epidermal growthfactor receptor， EGFR) 就是通过这一途径被降解的( Fig 1) 研 究 表 明 ， ESCRT 系统的缺失会导

11、致MVB 形成的障碍 ， 并且在内体上出现一个特殊的结构 ， 称为 E 型区域 ( class E compartment) 1ESCRT 系统包括 5 种核心复合物 ESCRT-0， ESCRT-， ESCRT-， ESCRT- 和 Vps4-Vta1 1-4 除 了 参 与 多 囊 泡 体 ( MVB) 的 形 成 外 ，ESCRT 还与胞质分离 、HIV 等囊膜病毒的出芽 5以及细胞自噬 6等细胞生命活动有关 这些生命过程中所发生的出芽 、芽体剪切及分离与 MVB 形成过程在拓扑上基本相同 1， 4 另外 ， 真菌感知碱性环境的Rim101 途径与 ESCRT 系统也密切相关 由于真菌对

12、酸碱度的适应及伴随的形态变化与其致病性有密切关系 ， 因此 ， ESCRT 分子机器很可能也对真菌的致病性有重要影响 7-121 ESCRT 的结构基础1. 1 ESCRT-0ESCRT-0 的主要功能是识别和富集底物 啤酒酵母的 ESCRT-0 复合物由 Vps27 和 Hse 以 1 1的比例聚合而成 ( 其哺乳动物细胞内的同源蛋白分别为Hrs 和 STAM) ( Fig 2， Fig 3A) Vps27 与 Hse 之间的相互作用通过它们的 GAT( GGA and Tom1) 结构域形成复合螺旋 ( coiled-coil) 实现 13-15 除 GAT 结构域外 ， ESCRT-0

13、还含有多个泛素结合结构域 ， 包括UIM( ubiquitin-interacting motif) 结构域和位于氨基末 端 的 VHS ( Vps27， Hrs， STAM ) 结 构 域 16ESCRT-0 具有多个泛素识别结构域可能有助于识别多聚化泛素修饰 ( polyubiquinated) 的底物 16， 并同时通过与多个泛素化的靶蛋白结合起着富集底物的作用 1 此 外 ， Vps27 还 含 有 1 个 FYVE ( Fab1，YOTB， Vac1， EEA1) 结构域 ， 该结构能与质膜上的磷脂酰肌醇 3-磷酸 ( phosphatidylinol-3-phosphate) 相F

14、ig 1 The function of the ESCRT systemUbiquitinated membrane proteins ( such as EGFR( 1) )are subjected to endocytosis ( 2) and transported to theendosome ( 3 ) ESCRT system is recruited to theendosome ( 3) and mediates its inward budding to formMVB ( 4， 5) The contents of MVB are degraded inthe lyso

15、some ( 6) Retrovirus ( such as HIV) alsorecruits the ESCRT system ( 7) to facilitate its budding( 8) The ESCRT system is also recruited to the mid-body ( 9) during cytokinesis结合 ， 从而将 ESCRT-0 复合物招募到内体膜上 作为内体里 MVB 形成过程中的第 1 个起作用的因子 ， ESCRT-0 能够同时与泛素基团和磷脂酰肌醇 3-磷酸相互作用 因而 ， ESCRT-0 除了可以被定位到含有磷脂酰肌醇 3-磷酸的

16、内体膜上外 ， 还能够同时识别被泛素修饰的靶蛋白 当前者通过胞吞作用被转运到内体后 ， 其泛素基团能招募 ESCRT-0 到出芽位点 ， 而 ESCRT-0 则将招募其下游作用因子ESCRT- 1， 12， 13， 从而促发出芽过程 1. 2 ESCRT-ESCRT-的主要功能是与 ESCRT-一起促使内体膜形成初始芽体 啤酒酵母的 ESCRT- 是由 1分子 Vps23、Vps28、Vps37 和 Mvb12 组成的异源四聚体 哺乳动物蛋白的组分与酵母基本一致 但是 ，其包含有 4 种 Vps37( Vps37A， B， C 和 D) 以及 2 种Mvb12( Mvb12A 和 MVBB)

17、在哺乳动物中 ， Vps23又称作 Tsg101 ESCRT-的结构类似于 1 个锤子 ，包括 1 个 13 nm 长的由复合螺旋形成的主干部分和5 nm 长的球状头部结构 17( Fig 2， Fig 3B) 头部结 构 包 括 Vps23 的 N 端 的 UEV ( ubiqutin E2variant) 结构域 、Vps37 的 N 端 螺旋 、Mvb12 的 C端泛素结合结构域 3 部分 其中带正电荷的 Vps37的 N 端 螺旋能够与酸性带负电的膜脂质发生静001第 2 期 黄 欢等 : ESCRT 系统 : 一个多功能的蛋白转运及膜剪切机器Fig 2 Domain structur

18、e of the ESCRT complex Subunits for ESCRT-0， ， ， andVps4-Vta1 complexes are shown Individual domains are indicated by boxes For simplicity， onlytwo of the ESCRT- subunits， Vps20 and Did2， are shown here电作用 ， 从而使 ESCRT-能够结合到质膜上 由于此种静电力相互作用较弱 ， 且 ESCRT-又不具备FYVE 结构域 ( 因而不能专一的识别磷脂酰肌醇 3-磷酸 ) ， 所以 ESCRT-与

19、质膜的结合不具有特异性 ， 因而它必需通过 ESCRT-0 才能被招募并结合到内体 膜 上 ESCRT- 主 干 结 构 由 Vps23、Vps37、Mvb12 剩余部分和 Vps28 构成 Vps28 的 C 端螺旋结构域从主干结构的另一端伸出 ， 为 ESCRT-招募ESCRT-复合物的元件 1， 4， 14， 15在 MVB 的形成过程中 ， 对 ESCRT-的招募是通过 ESCRT-0 复合物中 Vps27 所含 PSDP 和 PTVP序列与 Vps23 末端的 UEV 结构域相互作用来完成的 18 然 而 ， 人 类 免 疫 缺 陷 病 毒 ( humanimmunodeficien

20、cy virus， HIV) 的 GAG 蛋白也含有类似的序列 ( PTAP) ， 因此 ， 也可以识别人类 ESCRT-复合物中 Tsg101 的 UEV 结构域 因此 ， HIV 病毒可以将 ESCRT-复合物招募到 HIV 病毒出芽的位点 19， 以实现劫持宿主 ESCRT 系统 ， 从而完成其出芽过程 类似的能够与 UEV 结合的序列还在多种其它病毒中被发现 这些富含脯氨酸的 UEV 结合序列被统称为类 PTAP 模件 ( PTAP-like motif) 1. 3 ESCRT-啤酒酵母的 ESCRT-是由 1 分子的 Vps22、Vps36 和 2 分 子 的 Vps25 组 成 的

21、 异 源 四 聚 体 ESCRT-具有 1 个 “Y”型的刚性核心结构 ( Fig 2，Fig 3C) 其中 ， Vps22 和 Vps36 形成了 Y 结构下方的一竖 ， 而 2 分 子 的 Vps25 则 构 成 了 其 两 臂 20Vps25 的 C 端的翼状螺旋 ( winged helix， WH) 模件可以 招 募 并 激 活 下 游 的 ESCRT- 复 合 物 中 的Vps20 亚 基 1 Vps22 的 N 端 的 第 1 个 螺 旋 结 构101中国生物化学与分子生物学报 第 29 卷Fig 3 The crystal structures of the ESCRTcomp

22、onents ( A) The structure of the ESCRT-0complex ( green: Vps27; cyanine: Hse) ( B ) Thestructure of the ESCRT- complex ( green: Vps23;cyanine: Vps28; magenta: Vps37; yellow: Mvb12 ) ( C) The structure of the ESCRT- complex ( green:Vps22; yellow: Vps36; cyanine and magenta: Vps25) ( D) The structure

23、of one ESCRT- subunit ( CHMP3b)is shown in green ( E) Vps4 is colored in rainbow orderfrom N-terminus ( blue) to C-terminus ( red)( H0) 可以非特异性结合膜上的酸性磷脂基团 ， 从而帮助招募 ESCRT-到膜上 酵母的 Vps36 的 N 端包含 1 个可变的 GLUE( GRAM-like ubiquitin-bindingin EAP45) 结构域 ， 其内有 2 个插入的 NZF( Npl4-type zinc finger) 结构域 ， 分别称为 NZF

24、1 和 NZF2 结构域 它们分别能够与 ESCRT-和被泛素标记的靶蛋白结合 而其 GLUE 结构域则与磷脂酰肌醇 3-磷酸相互作用 人类的 ESCRT-复合物与酵母的同源物之 间 基 本 一 致 ， 其 主 要 差 异 在 Vps36 21 人 源Vps36 的 GLUE 结构域没有插入序列 研究表明 ， 人源 Vps36 的 GLUE 结构域除了能与磷脂酰肌醇 3-磷酸 结 合 外 ， 还 能 够 直 接 识 别 泛 素 标 记 的 靶 蛋白 1， 4， 131. 4 ESCRT-ESCRT-功能是剪切芽体的颈部 ， 从而将小泡释放到内体的腔内 ， 完成出芽过程 在 ESCRT 系统中

25、， ESCRT-0、ESCRT-和 ESCRT-都是稳定的蛋白复合物 ， 然而 ， ESCRT-则并不形成 1 个稳定的复合 物 在 酵 母 中 ， ESCRT- 包 含 4 个 核 心 亚基 Vps20、Vps24、Snf7、Vps2 和 3 个 调 节 亚基 Did2、Vps60、Ist1 22 在哺乳动物中 ， ESCRT-包含的蛋白亚基 ( 下面简称为 ESCRT-蛋白 ) 高达 12 个 ， 通常用 CHMP 命名 其中 包含 3 种 Snf7( CHMP4a， b 和 c) 、2 种 Vps2( CHMP2a 和 b) 以及 2种 Did2( CHMP1a 和 b) 哺乳动物中还含

26、有 1 个酵母中没有的调节亚基 CHMP7结构生物学研究表明 ， ESCRT-蛋白通常由 2个结构域组成 23， 其中 ( Fig 2， Fig 3D) N 端结构域是由第 1、2 段 -螺旋形成 1 个约 70 的发夹( hairpin) 结构 ， 其氨基酸组成包含大量碱性氨基酸 ，因此带正电荷 而其 C-端结构域则由多段较短的螺旋组成 ， 富含酸性氨基酸 ， 因而带负电荷 在细胞质内 ， ESCRT-蛋白的 N-与 C-端结构域通过相互作用使 ESCRT-蛋白处于自我抑制状态 ， 因此蛋白以单体形式存在 当 ESCRT-蛋白在内体膜上被激活后 ， 其构象变化可解除自我抑制 ， 从而导致其

27、N-端结构域在膜上聚合并形成 1 个 网 格 结 构( lattice) 24-26 这一聚合过程是其剪切芽体颈部的主要驱动力 ESCRT-蛋白 C-端结构域的另 1 个作用则是其含有 MIT 结合模件 ( MIT-interacting motif，MIM) ， 可 以 与 MIT ( microtubule interacting andtransport) 结构域结合 ， 从而招募那些含有 MIT 结构域的蛋白 ， 此类相互作用的生理意义将在后文讨论 1. 5 Vps4-Vta1 复合物1. 5. 1 Vps4Vps4 属于 AAA+ATPase， 其主要功能是通过水解 ATP 提供的能

28、量 ， 将内体膜上的 ESCRT-复合物解聚下来 ， 从而完成循环利用 Vps4 的活性形式是 1 个六聚体或十二聚体 Vps4 的工作原理目前尚不清楚 Sundquist 的模型认为 ， 其聚合体中临近中心孔洞的 “孔环 ”( pore loop) 可能直接与 ESCRT-相互作用 ， 把它们从膜上剥离下来并通过聚合体的中心孔洞以释放到细胞质中 27 在哺乳动物中 ， 目前已经发现两种 Vps4 ( Vps4a 和 b) Vps4 的 空 间 结 构 主 要 包 括 AAA+ATPase 盒( AAA+ATPase cassette) 、-结构域 ( -domain) 、C 端螺旋和 MIT

29、 结构域 1， 2， 27( Fig 2， 3e) 其 AAA+ATPase 盒分别由 1 个 N 端的大 ATPase 结构域和 C端的小 ATPase 结构域构成 前者包含 5 条 -螺旋和6 条 -折叠链 ， 在 6 条 -折叠链中 ， 5 条 ( 1-5) 形成平行的 片层结构 ， 余下的 1 条 ( ) 则沿着 2 的边缘 ， 反相平行于片层结构 后者由 4 条反向平行的-螺旋 ( 6-9) 形成 1 束状结构 ATP 在 Vps4 上的结合位点位于 2 个结构域之间 ， 这 2 个结构域中的Walker A、Walker B、SRH ( second region of201第 2

30、 期 黄 欢等 : ESCRT 系统 : 一个多功能的蛋白转运及膜剪切机器homology) 、精氨酸指 ( arginine fingers) 和 sensor 1 等结构元件 它们与 ATP 的结合和水解密切相关 在小 ATPase 结构域的第 3( 8) 和第 4( 9) 条 螺旋之间插入 3 条反向平行的 折叠链 ( 6-8) 构成了 结构域 该结构域是 Vps4 与 Vta1 蛋白的结合位点 C 末端螺旋即 10， 它延伸到大 ATPase 结构域附近并与之相互作用 该螺旋结构在目前已知的其他AAA+ATPase 中并未发现 ， 其功能也不明确 MIT 结构域位于 Vps4 的 N

31、端 ， 它不仅可以与 Vps2 和 Did2的 MIM1s ( MIT-interaction motif 1 ) 结 合 ， 也 可 与Vps20 的 MIM2( MIT-interaction motif 2) 结合 通过识别 ESCRT-蛋白 ， MIT 结构域可以使 Vps4 结合到已经在内体膜上聚合的 ESCRT-复合物上 由于Vps4 的功能就是解聚 ESCRT-复合物 ， MIT 结构域在这里起着底物识别的功能 1. 5. 2 MIT 结构域Vps4 含 有 MIT 结 构 域 其主要作用是识别ESCRT-复合物 Vps4 中的 MIT 结构域是由 3 段-螺旋束组成 该结构域最

32、初是在分选微管连接蛋白 ( sorting nexin) SNX15 中被发现 后续研究表明 ，它还存在于多个与转运有关的蛋白中 ， 除了 Vps4 以外 ， Vta1、calpain 7( 钙依赖型蛋白酶 7) 以及与遗传性痉挛性截瘫有关的蛋白 spastin 和 spartin 都含有MIT 结构域 28 MIT 结构域的主要功能是识别此前提到的 ESCRT-蛋白 C 端结构域中的 MIM 28结构生物学研究表明 ， MIT 与 MIM 的识别主要有 3 种模式 第 1 种模式主要体现在酵母 Vps2 的MIM1 与 Vps4 的 MIT、人 类 CHMP1a 的 MIM 与Vps4a 的

33、 MIT 以及人类 CHMP2b 的 MIM 与 Vps4b的 MIT 所形成的复合物中 4， 29 其中 ， MIM1 由 Vps2的 C 末端约 10 个氨基酸所形成 ， 包含了约 2. 5 圈螺旋 对它的识别涉及 MIT 结构域的 2 和 3 螺旋 ，并且主要是通过疏水相互作用完成 第 2 种模式主要体现在人类 ESCRT-蛋白 CHMP1b( 与啤酒酵母的 Did2 同源 ) 的 MIM 与 spastin 的 MIT 所行成的复合物中 30 CHMP1b 的 MIM 区域包括了 C 末端约20 个氨基酸 ， 从而包含了约 6 圈螺旋 ; 而与 MIM 相互作用的 MIT 区域则是其

34、1 和 3 螺旋 它们的相互作用既有疏水相互作用有用极性相互作用 在第1 和第 2 种模式中 ， MIM 和 MIT 都形成了四 -螺旋束的总体结构 第 3 种模式主要体现在 Vps20 的MIM2 与 Vps4 的 MIT 所形成的复合物中 31 与前 2种情况不同 ， MIM2 不包括其 Vps20 蛋白的 C 末端 ，也不形成螺旋结构 ， 而是在蛋白序列内部靠近 C 末端的 1 个区域形成 1 段环状结构 ( loop) 而 Vps4 的MIT 中 ， 对 MIM2 的 识 别 区 域 主 要 包 括 1 和 3螺旋 由此可见 ， MIT 对 MIM 的识别具有一定的多样性 ， 由于 M

35、IT 结构域存在于多种具有不同功能的蛋白之中 ， 上述的多样性可能涉及到不同的细胞功能 比如 ， 模式 1 和 3 可能与 MVB 的形成有关 ， 而模式2 则可能与细胞分裂有关 ， 然而这些假说仍需要进一步的实验予以验证 1. 5. 3 Vta1Vta1 蛋 白 是 Vps4 的 正 调 节 因 子 ， 可 以 促 进Vps4 的聚合并激活其 ATPase 活性 Vta1 的 N 端包含 2 个 MIT 结构域 ( Fig 2) ， MIT1 由 1、2 和 3组成 ， MIT2 由 5、6 和 7 组成 ， 2 个结构域通过 4连接 Vta1 通过 MIT 结构域与 ESCRT-中的 Di

36、d2和 Vps60 结合 Vta1 的 C 端含有 2 条反向平行的 螺旋 ( Fig 2) : 8、9， 它们形成 VSL( Vps4 SBP1LIP5) 结构域 通过 VSL 结构域之间的相互结合 ，Vta1 蛋白形成同源二聚体 VSL 结构域还可与 Vps4中的 结构域相互作用 32-34， 从而形成 Vps4-Vta1复合物 Vta1 的 N 端和 C 结构域之间是长约 120 个氨基酸的连接序列 ， 可能呈无规卷曲构象 1. 5. 4 Vps4-Vta1 相互作用由于 Vta1 的 VSL 结构域通常以二聚体的形式存在 ， 而且其聚合的界面与它和 Vps4 的结合位点不重和 ， 所

37、以 VSL 二 聚 体 可 同 时 结 合 2 分 子 的Vps4 35 晶体学研究表明 ， Vta1 二聚体可以结合 2分子 Vps4 Vps4 分别结合在 Vta1 二聚体的两端 ， 它们之间不存在相互作用 35 Vta1 与 Vps4 相互作用的区域包括 Vta1 蛋白的 VSL 结构域 ( C 端 8 和 9螺旋 ) 和 Vps4 蛋白中连接 8-6 及 7-8 的卷曲( loop) Vta1 的 8 螺旋上的 Tyr303 和 Tyr310 对于Vta1 和 Vps4 之间的相互作用至关重要 此外 ， 在8 螺旋上的 Ser306、Ala307 和 Asn309 以及 8 与9 螺旋

38、之间的 Asp312 和 9 螺旋上的 Thr315 等氨基酸也与 Vps4 有直接相互作用 对 Vps4 而言 ， 其主要是通过前面所述的 2 个环结构以及其 8 螺旋上的 Lys353 与 Vta1 结合 第 1 个环由保守氨基酸序列356SATH359组成 ， 对应于 8-6 之间的连接序列和6 的第 1 个氨基酸 第 2 个环由保守氨基酸序列375PCSPGDDGAIE385构成 ， 为 7-8 连接序列的一部分 Vps4 的 Thr358、His359、Pro378 和 Glu385 残基形成 Vta1 的 Tyr303 侧链的结合位点 ， 而 Vps4 的Lys353、Ala357

39、、Pro375、Ser377 和 Cys376 残 基 为301中国生物化学与分子生物学报 第 29 卷Vta1 的 Tyr310 之侧链提供结合口袋 35 在啤酒酵母中的研究表明 ， 阻止 Vta1 与 Vps4 的相互作用可导致 MVB 形成缺陷 但是 ， 与 Vps4 本身缺失造成的E 型区域相比 ， 此种缺陷相对较弱 ， 似乎表明 ， Vta1与 Vps4 的相互作用主要是增强 Vps4 的活性 ， 而并非 Vps4 基础活性所必需 1. 5. 5 Vps4 聚合模型Vps4 以多聚体的形式发挥其生物学功能 较普遍的观点认为 ， 在结合 ATP 后 ， Vps4 形成由上下两层六聚体结

40、构相互叠加组成的十二聚体 35-36 由于Vta1-VSL 所形成的二聚体的二重轴 ( two-fold axis)与 Vps4 的六聚体环的六重轴平行 35， 且每个 Vta1二聚体可以结合 2 个 Vps4， 考虑到几何上的限制 ，很可能 Vta1 能够交联 2 个相邻的 Vps4 多聚体 ， 从而在 内 体 膜 上 形 成 1 个 Vps4 的 网 格 ( lattice) 结构 35 有 1 个问题是 ， Vta1 究竟结合在 Vps4 十二聚体的哪一层环上 ? 根据冰冻电镜所获得的结果 36，Vps4 的上下两层环是不等价的 ， 即具有不同的构象 根据目前的数据 ， Vta1 似乎只

41、能结合到 Vps4 十二聚体的下层环上 然而 ， 由于在与 Vta1 相互作用后 ， Vsp4 可能会发生构象变化 ， 因此上层环可能会改变构象 此外 ， 另 1 种可能性则是在活性状态下Vps4 多聚体可能只有 1 层环 ( 即为六聚体 ) 由于目前没有高分辨率的 Vps4 多聚体结构 ， 对于 Vps4 多聚体所包含的单体数目依然有一定争议 2 ESCRT 的作用机制2. 1 ESCRT-和 -促使内体膜出芽形成初始芽体内体膜内陷分为 2 个步骤 : 首先是芽体的形成 ，然后是芽体颈部的剪切 ( scission) 1( Fig 4) 利用电 镜 37和 巨 大 单 层 囊 胚 泡 ( g

42、iant unilamellarvesicles， GUV) 38-39开展的体外研究 ， 为理解这一过程提供了大部分数据 研究表明 ， 初始芽体的形成是由 ESCRT-和 ESCRT-复合物完成的 这两种复合物聚集在芽体的颈部 ， 起着稳定芽体结构的作用 38 ESCRT-和 ESCRT-复合物具有很高的芽体形成活性 ， 即使在 15 nmol/L 的低浓度下 ， 它们依然能够有效诱导芽体的形成 ， 而这个浓度远低于这两 种 复 合 物 在 酵 母 体 内 75 nmol/L 的 生 理 浓度 1， 38 尽管在 GUV 中所形成的芽体并不一定包含有泛素化的靶蛋白 ， 但由于在细胞内 ESC

43、RT-是通过与 ESCRT-0 相互作用被招募到内体膜上的 ， 所以含有泛素基团的靶蛋白可以被 ESCRT-0 浓缩到出芽位点 ， 从而被富集到芽体内部 38Fig 4 The mechanism of budding ( 1) TheESCRT- and - complexes are recruited to thebudding site and induce the formation of the initial bud( 2 ) ESCRT- subunits are recruited ( 3 ) Theformation of a lattice by ESCRT-subuni

44、ts drives thescission at the bud neck ( 4) Vps4 disassembles theESCRT- lattice and recycles ESCRT proteins for thenext round of budding activity在细胞中 ， 还有其它的出芽机制 比如网格蛋白( clathrin) 、COPII 等蛋白等都可以介导膜的内陷从而形成小泡 这些蛋白的作用机制是先在膜上形成1 个网格结构 ， 然后以该结构为支架诱导膜向胞质内出芽 出芽完成后 ， 这些蛋白形成的网格结构就包裹在小泡之外直接面对胞质 ， 因此可以解离并直接释放回到

45、细胞质中 由于 ESCRT 系统催化的出芽过程从拓扑上讲相当于向胞外出芽 ， 而 ESCRT 蛋白本身分布在细胞质内 ， 如果 ESCRT 蛋白也使用类似机理的话 ， 其形成的网格结构就会在小泡内部并随着出芽的完成被包含在 ILV 内 如 果 是 这 样 的 话 ，ESCRT 蛋白就只能被使用 1 次 ， 之后则会和靶蛋白一起在溶酶体中被降解 虽然目前还没有得出最终结论 ， 多个实验结果表明 ， ESCRT 系统是能够逃脱被降解的命运的 首先 ， 研究表明 ， Vps4 的功能就是完成 ESCRT-的解聚 这一功能对于 ESCRT 系统正常工作是至关重要的 因此 ， 至少 ESCRT-不仅可以

46、循环使用而且其回收还是细胞正常功能所必需的 其次 ， 利用 GUV 所做的研究表明 ， 在生理浓度下 ， ESCRT-0， -， -和 -都只是分布在芽体的颈部 ， 而只有靶蛋白最终分布在 ILV 内部 38 这也表明了 ESCRT 所介导的出芽过程与其它细胞的出芽过程不同 ， 代表了一条独特的膜转运途径 2. 2 ESCRT-复合物促成芽体颈部的剪切在 GUV 研究中 ， 如果只有 ESCRT-和 -， 芽401第 2 期 黄 欢等 : ESCRT 系统 : 一个多功能的蛋白转运及膜剪切机器体将始终与膜相连 在加入 ESCRT-蛋白 Snf7 后 ，则可以在 GUV 腔中观察到大量的 ILV

47、( Fig 4) 38研究表明 ， Snf7 是这一过程唯一绝对必需 ESCRT-蛋白 38， 39 以前研究中发现 ， 在超生理浓度的 Snf7下 ， 仅 Snf7 即可诱导 GUV 的出芽并完成芽体的剪切 39 但是该反应需要的 Snf7 浓度高达 600 nmol/L， 是其生理浓度的 40 倍 而且有相当部分的 Snf7还最终被包含到了 ILV 中 38， 39 因此 ， 仅 Snf7 诱导的反应可能并不具备生理学意义 在与 ESCRT-和 -的协同作用下 ， Snf7 在生理浓度下即可以完成对芽体颈部的剪切 ， 且其全部分布在芽体颈部而不进入 ILV 因此 ， 目前的数据似乎表明 ， 在 ESCRT-， -诱导产生芽体后 ， 它们会招募 ESCRT-到芽体颈部 之后 ， ESCRT-( 主要是 Snf7) 完成芽体的剪切反应 除了 Snf7 外 ， 还有其它 ESCRT-蛋白 虽然在 GUV 研 究 中 不 是 芽 体 剪 切 必 须 的 ， 这 些ESCRT-成员在细胞中可能发挥着重要的调控作用 比如 ， 在 MVB 的形成过程中 ， Vps20 起着连接ESCRT-和 ESCRT-的作用 在被 ESCRT-激活后 ， Vps20 可以招募并激活其它 ESCRT-蛋白 ( 如Snf7) ， 从而启动剪切过程 另外 2 个 ESCRT-蛋白 ， Vps2