从内质网到高尔基体:一个受信号分子调控的蛋白质分泌过程

王家胜，罗建红，张筱敏 综述

(浙江大学医学院神经科学研究所，浙江杭州 310058)

蛋白质从内质网到高尔基体的运输过程，也称为早期分泌途径(early secretary pathway)，是对蛋白质进行质量控制和分选的重要阶段。蛋白质在内质网经过初步加工后，在内质网输出 位 点 (Endoplasmic Reticulum exit sites，ERES)与外被蛋白复合体Ⅱ(coat protein complexⅡ，COPⅡ)形成囊泡，与内质网分离。囊泡随即脱掉COPⅡ并与内质网-高尔基体中间 体(ER-Golgi intermediate compartment，ERGIC)融合。蛋白在ERGIC内进一步成熟，并形成管状的囊泡［1］离开ERGIC，由动力蛋白沿微管运往高尔基体。

受体接受细胞内外的刺激后经信号分子传导引发细胞特定的响应，而蛋白质磷酸化在信号传导过程中起重要作用。近年研究发现，内质网到高尔基体的运输过程也是受信号分子磷酸化调控的。这种调控使得蛋白转运速率可以因细胞内外环境变化而调整，对细胞生长、存活、维持稳态有重要意义［2］。作者针对蛋白质从内质网到高尔基体的运输过程(着重于内质网、ERGIC、高尔基体之间)的信号分子调控机制作一综述。

1 内质网上信号分子对蛋白质分泌的调控

蛋白质在内质网内经过初步折叠、修饰后，在ERES形成COPⅡ囊泡。COPⅡ不仅能招募和聚集待运输的蛋白质，还促进了囊泡的出芽过程［3］。虽然有证据显示，包含载脂蛋白的乳糜微粒囊泡出芽并不依赖于COPⅡ［4］，但绝大多数蛋白质囊泡的出芽是依赖 COPⅡ的［5］。小GTP酶Sar1和两种异源二聚体复合物Sec23-Sec24、Sec13-Sec31共同组成COPⅡ囊泡的外被。在COPⅡ囊泡形成时，首先由鸟苷酸交换因子Sec12招募Sar1-GDP，并将其转化为Sar1-GTP，Sar1-GTP作为“开关分子”引发外被形成过程。接着，Sec23-Sec24与可溶性蛋白受体或跨膜蛋白结合发挥货物蛋白质(cargo protein)拣选功能。最后，Sec13-Sec31在Sec23-Sec24外周形成一层易弯曲的“笼子”，以适应不同大小的转运蛋白质。近年来，研究发现多条信号通路和多种信号分子能作用于ERES，从而调控蛋白质运输囊泡的出芽过程。

1.1 MAPK信号通路 通过小干扰 RNA(siRNA)筛选Hela细胞的916种激酶和磷酸酶，确定了其中122种激酶和磷酸酶与囊泡从内质网到高尔基的运输有关［6］。其中包含了MAPK信号通路中的各种激酶，其作用位点在内质网;激活MAPK信号通路能引起ERES数目增加，并且MAPK蛋白Erk2能直接磷酸化Sec16第415位苏氨酸。Sec16是一种分子量为240-280 kDa的膜周边蛋白，是ERES产生和维持的关键分子，生理状态下定位在ERES。研究发现，Sec16能与COPⅡ组成蛋白(Sec13-Sec31，Sec23-Sec24)相互作用，并招募 COPⅡ组成蛋白在 ERES聚集促进囊泡形成［7］。Sec16还以通过尚不明确的机制招募Sar1促进囊泡形成［8］。因此，MAPK通路激活导致Sec16激活可以促进COPⅡ形成。

1.2 PCTAIRE激酶与 Sec23A PCTAIRE是一种周期蛋白依赖激酶，主要存在于分化终末的细胞中。PCTAIRE亚型PCTAIRE-1能被周期蛋白Y(Cyclin Y)激活，并参与神经元轴突囊泡转运［9］。PCTAIRE也被发现在微管相关蛋白tau的磷酸化中起作用，但不依赖于周期蛋白激活［10］。酵母双杂交实验发现，磷酸化的PCTAIRE-1和3可以与磷酸化的Sec23A相互作用，并且PCTAIRE的激酶活性对COPⅡ的出芽是必需的［11］。虽然PCTAIRE并不直接磷酸化Sec23A和其他COPⅡ蛋白，但可能通过磷酸化与COPⅡ出芽相关的分子如动力蛋白(Dynein)和动力蛋白激活蛋白(Dynactin)发挥调控作用［12］。已经有研究表明，PKA 对PCTAIRE-1的磷酸化能减弱PCTAIRE-1的激酶活性，影响神经母细胞瘤突起生长［13］;而周期蛋白依赖激酶5(CDK5)对PCTAIRE-1的磷酸化则能增强其激酶活性，并促进神经元树突发育［14］。但上述PCTAIRE激酶活性的调控对COPⅡ出芽的影响还有待进一步研究证明。

1.3 Ca2+依赖的ALG-2调控 凋亡相关基因2蛋白(Apoptosis-linked gene 2 protein，ALG-2)有5个依次相连的EF-hand结构域与钙离子结合，是一种细胞内钙离子浓度的感受器。研究表明，生理状态下ALG-2存在于ERES附近，在钙刺激下会引起ALG-2成簇状分布，钙的螯合剂则会导致 ALG-2与 ERES共定位消失［15］。近年研究发现，ALG-2与 COPⅡ组成蛋白Sec31A有钙离子依赖的相互作用，并成簇状共定位分布，无论是降低ALG-2的表达量还是降低胞钙浓度，都会减少Sec31A在ERES的量，同时簇状分布消失［16，17］。荧光漂白恢复实验发现，Sec31A同ALG-2结合位点的突变将降低Sec31A与ERES结合的高亲和性，提示ALG-2与Sec31A的结合对Sec31A在ERES发挥作用有重要关系［18］。还有研究显示，在体外钙离子作用下ALG-2通过稳定COPⅡ囊泡结构抑制COPⅡ的相互融合［19］，但体内 ALG-2对 COPⅡ囊泡的调控还知之甚少。虽然上述研究表明ALG-2能通过对不同胞内钙浓度的响应来调控Sec31A的量和分布，但钙信号介导的ALG-2对COPⅡ囊泡具体调控机制有待进一步研究。

1.4 脂质信号(lipid signaling) 类二十烷酸、磷酸肌醇、磷酸酰肌醇、鞘磷脂、脂肪酸等脂质作为信号分子，在调控细胞增殖分化、凋亡、新陈代谢、迁移等过程中发挥重要作用［20］。细胞外信号能控制一系列脂质酶的活性，这些酶通过对脂质特异地修饰使脂质发挥信号分子的作用。

磷酸酰肌醇(Phosphatidylinositol，PtdIns)的3个羟基被选择性磷酸化得到的衍生物能作为不同膜性细胞器的标志，在调控蛋白运输中起重要作用。PtdIns第4号位羟基被磷酸化得到的PtdIns(4)P主要存在于高尔基体及ERES上。PtdIns(4)P可由内质网上大量分布的PtdIns经PI4K磷酸化产生［21］。研究发现，Sar1在ERES上被募集和激活能使PtdIns(4)P含量上升，而PtdIns(4)P能促进COPⅡ囊泡的形成［22］。因为PI4K亚型PI4KⅡ能在体外条件下被Sar1激活，且分布在内质网周围，因此Sar1可能通过PI4KⅡ调控PtdIns(4)P含量。此外，PI4K另一亚型PI4KⅢ在未折叠蛋白反应(Unfolded protein response，UPR)激活时含量增加，并促进囊泡形成，也可能通过PtdIns(4)P途径调控这个过程［23］。磷脂酰胆碱也有相似的调控过程。Sar1的磷酸化能激活磷酸酶D(Phospholipase D，PLD)，加快PLD将磷脂酰胆碱水解为胆碱和磷脂酸，后者进一步促进Sec23/Sec24 聚集，加快囊泡形成［24］。

2 ERGIC上信号分子调控

内质网-高尔基体中间体(ERGIC)，也被称为管泡样囊泡聚集体(Vesiculo-tubular clusters)或前高尔基中间体(pre-Golgi intermediates)，是与ERES在空间上并列且位置相对固定的膜性结构［25］，发挥聚集蛋白质、促进蛋白质折叠和质量控制等作用。

人们对ERGIC上信号分子调控分泌途径的机制知之甚少，目前仅发现包含PKC激酶家族的信号通路能对该过程进行调控。根据PKC的激活方式可以将PKC家族分为经典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)三类［26］。研究发现，Src激酶能磷酸化 aPKC激酶的 PKCλ 和 PKCι，促进 PKCλ 和 PKCι定位到ERGIC膜上，使PKCλ和PKCι发挥磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)的激酶活性［27］。有证据显示，磷酸化的GAPDH在内质网到高尔基体的分泌途径中可能通过招募动力蛋白与微管结合并促进囊泡从ERGIC出芽而发挥调控作用［28］。此外，新型PKC激酶PKCδ和PKCε也被发现作用于ERGIC并能调控ERGIC形态，但PKCδ和PKCε似乎并不影响蛋白在内质网和高尔基体间的正向或逆向转运［29］。

3 高尔基体上信号分子调控

蛋白从内质网到高尔基体的运输不仅受胞外刺激引发的信号通路调控，还受到运输过程引发的反馈信号调节。近年来一系列研究发现，包含在囊泡内的内质网驻留蛋白能间接激活高尔基体上信号通路产生反馈调节机制，维持高尔基体的稳态。

酪氨酸激酶Src被发现广泛存在于高尔基体周围，调控高尔基体的形态，并且磷酸化的Src对保持高尔基体结构的完整是不可或缺的［30］。Src的缺失不会影响蛋白从内质网到高尔基体的顺向转运速率，但会降低蛋白从高尔基体到内质网的逆向转运速率［31］。研究发现，货物蛋白从内质网到高尔基体的运输促进Src的激活，引发Src磷酸化高尔基体上一系列底物。酵母双杂交实验表明Src与KDEL受体具有相互作用，这种相互作用还可直接介导Src的激活［32］。KDEL受体能特异地识别可溶性内质网驻留蛋白N端的KDEL氨基酸序列，位于ERGIC或高尔基体的KREL受体负责将可溶性内质网驻留蛋白逆向转运回内质网。当可溶性内质网驻留蛋白运达高尔基体，驻留蛋白与KDEL受体结合引发该受体的二聚化而激活，激活后的KDEL受体招募形成负责逆向转运的COPⅠ囊泡，将可溶性内质网驻留蛋白逆向转运回内质网。Src能磷酸化KDEL受体，并且KDEL受体第209位丝氨酸磷酸化可以促进其在高尔基体上与COPⅠ囊泡蛋白结合［33］，提示KDEL受体介导的Src激活能反馈作用于KDEL受体，促进可溶性内质网驻留蛋白的逆向转运。Src不仅影响货物蛋白从高尔基体到内质网的逆向转运，Src的激活还能促进货物蛋白在高尔基体内的转运［32］。因此，这种通过KDEL受体感知货物运输“压力”并通过激活Src促进货物蛋白在高尔基体内转运和逆向转运的过程，实现了高尔基体货物输入和输出的平衡，有助于维持高尔基体结构的稳定［34］。

4 结论与展望

过去10年对囊泡转运机制及转运调控机制的研究，极大增进了人们对细胞内膜系统的了解。尽管现有的研究远不能让人们了解囊泡转运与调控机制的每个细节，但更多更细致的工作将最终会驱散笼罩于囊泡转运和调控机制的迷雾。

信号分子调控作为调控机制的重要一种，在5年的研究中，发现其在囊泡从内质网经ERGIC到高尔基体的运输中发挥重要作用。虽然对信号分子调控机制的研究才刚刚起步，但一些令人信服的结果表明，信号分子能作用于运输涉及的三个膜性结构——内质网、ERGIC和高尔基体，调控囊泡的出芽和融合。蛋白从内质网到高尔基体的运输不仅受胞外刺激引发的信号通路调控，还受到囊泡内转运物质的反馈调节。如囊泡内的内质网驻留蛋白能引起高尔基体上Src通路的激活，该过程对维持高尔基体的稳态有重要意义。

由于各种信号通路间存在交叉(crosstalk)，极大增加了通路研究的复杂性。应用系统生物学原理进行高通量筛选是发现信号调节通路的趋势。已有研究通过siRNA方法发现，从质膜受体到靶细胞器调控膜转运的完整通路［6］，该MAPK通路作用于 ERES上的Sec16，通路的激活促进囊泡出芽。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)来研究信号分子对囊泡运输的调控，但是生理情况下信号分子的调控应该是转运蛋白特异性的。如研究发现蛋白激酶PKA和PKC能磷酸化N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体的NR1亚基，促进包含NR1亚基的 NMDA受体从 ERES排出［35］，这也正展示了一个特异性蛋白质膜转运调控的模式。对信号分子特异性调控蛋白转运的研究将极大发展人们对信号调控机制的理解，为治疗因从内质网到高尔基体蛋白质转运异常引发的疾病如迟发性脊椎骨骺发育不良(spondyloepiphyseal dysplasia tarda，SEDT)、合并凝血因子V和凝血因子 VIII缺乏症(combined factor V and factor VIII deficiency)等提供新的线索［36-38］。

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