真核生物細胞內蛋白質、脂類等“大型貨物”的運輸，被生物膜這道屏障天然阻隔。上個世紀60年代，科學家開始認識到細胞內存在一套有條不紊的“物流系統”，即囊泡轉運。作為細胞生命活動的基本過程，囊泡轉運很快成為諾貝爾獎熱門領域，1974年至今已累計五次與之相關。

“但是到今天為止，細胞內囊泡的功能、分選和轉運的過程、動態調控的過程等，仍然還有很多未解之謎。對囊泡的一系列研究仍然是現代細胞生物學很重要的熱點，很多新的發現也還在不斷地被做出來。”清華大學生命科學學院院長王宏偉教授在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）采訪時如此評價復雜而又精細的囊泡轉運過程。

北京時間1月16日凌晨，王宏偉作為通訊作者的一篇最新成果發表在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）子刊《自然-結構與分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）。這一最新成果正是和囊泡轉運有關，研究團隊解析了該過程中一種重要蛋白復合體Exocyst的結構及其裝配方式，平均分辨率為4.4埃（?），同時提出了一種囊泡錨定細胞膜的調控假說。

該論文的另一通訊作者賓夕法尼亞大學文理學院生物學系教授郭巍對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）表示，“Exocyst 復合體是控制分泌囊泡錨定到細胞質膜的一個蛋白八聚體。它通過不同亞基與囊泡和細胞質膜的分別作用，把囊泡栓系到細胞質膜，并促進其融合，這個過程最終使囊泡轉運的貨物如蛋白質和磷脂等融合到細胞質膜上或分泌到細胞外，從而影響一系列的細胞活動，包括細胞極性的建立、細胞生長、細胞間通訊等。”

郭巍還表示 “Exocyst只是多亞基系連復合體中的一種，這次近原子分辨率的結構解析和模型搭建不僅對于我們理解分泌囊泡與細胞膜之間的栓系機制有重要意義，也對其他細胞內膜系統間的囊泡轉運和錨定機制提供了重要信息。”

據王宏偉介紹，該項研究工作前后歷時三年，主要參與人員還包括賓夕法尼亞大學的博士后梅坤榮、清華大學的博士研究生黎艷等人。另外，北京生命科學研究所高級研究員董夢秋和她領導的小組也做出了關鍵的技術貢獻。

未知的“拉近”過程

所謂的囊泡是由單層膜形成的閉合結構，大小從幾十納米到數百納米不等，主要負責細胞內由膜包被的不同細胞器之間的物質運輸、信息傳遞等。

囊泡能夠以出芽的方式脫離轉運起點，以膜融合的方式進入轉運終點。由包裹“大型貨物”的囊泡、轉運復合體、動力蛋白、微管、肌動蛋白纖維和調節分子等參與的過程通常被形象地稱為細胞內的“物流系統”。

其中，在囊泡和細胞膜實現融合之前，囊泡需要被特定的分子機制識別并拉攏靠近細胞質膜，這一被“拉近”的過程即為“錨定”。

王宏偉介紹，“在分泌囊泡裝運過程中，囊泡被動力蛋白通過微管和肌動蛋白纖維運輸到細胞膜附近，然后通過一定的分子機制融合到細胞質膜上，從而把其中運輸的物質吐到細胞膜上或細胞外。在SNARE介導膜融合之前，分泌囊泡需要錨定到細胞質膜的內側，Exocyst復合體在這個錨定的過程中發揮非常關鍵的作用。”

Exocyst復合體是多亞基系連蛋白復合物（MTCs）的一種。多亞基系連蛋白復合物主要負責將細胞內的運輸囊泡捕獲至特定的靶膜，隨后發生膜融合。Exocyst復合物首先是在釀酒酵母中被分離發現，包含Sec3、Sec5、Sec6、Sec8、Sec10、Sec15、Exo70和 Exo84八個亞基。

實際上，在王宏偉及其合作團隊此番工作之前，也有其他學者致力于多亞基蛋白復合物的結構解析。

王宏偉表示，“對于多亞基系連蛋白復合物，在過去的二十年里，大家通過各種結構生物學手段和技術來研究它們，希望能了解該類復合體發揮功能的分子機制。比較早期的時候，研究人員利用低分辨率的電子顯微鏡來獲得復合體大致的形狀，也有一些團隊把某些蛋白質亞基的一小部分取出來，利用X射線晶體學的技術來解析它們的結構。最近隨著電子顯微鏡技術的發展，雖然不斷的有團隊報道這類復合體的二維結構，其完整的三維結構卻一直未被破解。”

“然而，對于闡釋機制更關鍵的一點，也就是Exocyst的八個蛋白質亞基如何裝配到一起，以及如何實現錨定，這些都還是不清楚。”王宏偉稱，“我們這項研究用單顆粒冷凍電鏡技術（cryo-EM）和化學交聯質譜技術（CXMS）相結合搭建了該復合體的大致原子模型，是首次看到它的八個亞基如何裝配成整個復合體，從而實現分泌囊泡和細胞質膜之間的錨定。”

配對“拉鏈”和關鍵的Sec3

首次解析出來的Exocyst復合體的八個亞基究竟如何實現裝配？

“每兩個蛋白亞基會通過一個類似“拉鏈”的結構聯成一對；每兩對之間又形成一個四股螺旋束，形成一個層級式的裝配方式。最后分別由四個亞基組成的亞復合體 I 和 亞復合體 II像兩個手掌一樣合起來形成了八個亞基的完整復合體。”

王宏偉提到，在所有的八個蛋白質亞基中，關鍵在于Sec3蛋白。

“一些生化試驗已經表明，Sec3可能是一個結合到細胞質膜上的蛋白，剩下的七個蛋白位于囊泡上面，Sec3和其它七個蛋白之間存在特異性的識別并進行裝配。在這個識別、裝配的過程當中，囊泡就被“拉到”了細胞質膜表面。”

王宏偉強調，“這是根據我們解析出的結構所提出的一種假說，針對這個假說我們用酵母細胞做了一系列體內的功能實驗來驗證，實驗結果與我們的假說是一致的。”

當然，在王宏偉及其研究團隊眼中，這一最新搭建出的模型還不能稱得上是一個精細的模型。“這項研究工作只是剛剛開始。”王宏偉提到，“我們會進一步精修，比如通過進一步提高我們復合體解析的分辨率把它的細節看得更清楚。”

研究團隊還致力于更加“整體”和“動態”。“我們真正希望看到的是，Exocyst復合體在整個囊泡轉運過程中的不同階段，它和囊泡的相互作用、和細胞質膜的相互作用，以及在錨定過程中受到其它蛋白調控后不同的狀態。在不同情況下它的結構變化對于我們深入理解囊泡與細胞質膜的錨定過程、進一步融合的過程會提供更大的啟示。”