細胞內COP囊泡轉運調控糖脂代謝的研究進展

李瑞茜 孫鈺婷 林雨山 潘玨宇 于夢帆 張媛媛 孫曉東△

（1四川大學基礎醫學專業2017級本科生，四川 成都 610041；2 四川大學華西基礎醫學與法醫學院藥理學教研室，四川 成都 610041）

1 COP囊泡的組裝過程和基本功能

COP囊泡介導的蛋白轉運的關鍵步驟包括：招募特定的“貨物蛋白”并從從供體細胞器中釋放；新形成的囊泡被動地在細胞質中擴散，或者沿細胞骨架進行定向轉運；載體的膜與目的細胞器膜融合，卸載貨物。一些標志性的胞質蛋白COP對于轉運的起始步驟至關重要，故用包被蛋白的名字為這種囊泡命名。根據包被蛋白的種類不同，又可以將COP囊泡分為外被體蛋白I（Coat protein I，COP I）和外被體蛋白II（Coat protein II，COP II）囊泡。

COP I復合物的組裝過程起始于鳥苷酸交換因子（Guanine nucleotide exchange factor，GEF）Gea1，Gea1介導Arf的GTP/GDP交換從而使Arf轉移到高爾基體膜上并定位，繼而招募外殼蛋白的七個亞基，衣殼蛋白采用替代構象來調整與其相互作用的其他外殼的數量繼而調節囊泡的大小和形狀[1]。COP I復合物貨物的分選與轉運機制與KKXX二賴氨酸的運輸基序有關。攜帶有二賴氨酸基序的逆行貨物蛋白質可以直接與COP I復合物結合，而在COP I復合物的外殼蛋白中，α-COP是KKXX最優受體，β′-、?-COP也是能夠與KKXX結合的外殼蛋白；但是β-、γ-、ζ-COP與其他的p24結構域結合而且還需要含有苯丙氨酸的基序，而苯丙氨酸基序可以作為順行轉運信號，所以外殼蛋白可以將逆向轉運和順向轉運貨物包裝成不同的COP囊泡[2]。膜曲率變化促進Arf的GTP酶激活蛋白的招募，Arf結合的GTP水解后COP I囊泡即從膜上脫離[3]。COP I囊泡主要介導逆向轉運和囊泡間運輸，同時促進高爾基體扁平囊泡的成熟，從而幫助糖脂代謝關鍵分子的分選、包裝并從順面高爾基體運送到不同目的地[4,5]。

COP II復合物的組裝過程與COPI類似，COP II復合體組裝起始于GEF蛋白Sec12，小GTP結合蛋白Sar1被招募到ER后，Sec12催化Sar1的GDP轉換為GTP，活化并暴露其N-端的α螺旋，插入到ER膜上后促使初始曲率的產生，同時招募Sec23/Sec24異源二聚體[6]。Sec23/Sec24異源二聚體呈蝴蝶結狀，空間結構具有一個可協助ER膜彎曲塑形的凹形接觸面，并可引導貨物分子從ER進入囊泡[7]。Sar1/Sec23/Sec24和貨物形成的復合體被Sec13/Sec31異源四聚體捕獲，該異源四聚體形成囊泡的外包被同時維持膜的曲率并促進來自于ER的囊泡膜的縊斷[3]。GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein，GAP）Sec23催化Sar1的GTP水解為GDP，促進囊泡的縊斷。同時，Sar1的GTP水解同樣促使包被蛋白復合物的解聚[3]。經由精密調控的組裝，COP II選擇性地將新合成的蛋白從內質網運輸至高爾基體或者內質網-高爾基體中間體（ER-Golgi intermediate compartment，ERGIC），完成分泌蛋白的折疊和糖基化等，通過順向轉運幫助糖脂代謝關鍵分子獲得生理活性[8]。

COP囊泡可根據細胞需求改變生物膜結構的形態大小、貨物轉運的方向，適應運輸需求的COP II囊泡的曲率變化，使其在運輸較大或者形狀不規則的貨物時仍然可以保持較好的柔韌性與剛性[9]，Sar1B突變的腸上皮細胞不能有效調節COP II囊泡的直徑運輸乳糜微粒入血，造成乳糜微粒蓄積及脂質吸收困難[10,11]。同時COP囊泡在不同的生理狀態下適應體內精細而復雜多變的能量和營養成分的需求變化。血清或生長因子可刺激哺乳動物細胞激活p38-MAPK通路，促進Sac1寡聚體的解聚和COP I囊泡介導的從高爾基體向內質網的轉運；而無血清條件下，哺乳動物細胞可見COP II囊泡將寡聚化的Sac1運送至高爾基體，下調高爾基體的PI4P水平及其分泌功能[12]。COP囊泡這些“因時而變，因勢而變”的特性使胞內囊泡運輸可以協助細胞對外界刺激做出適應性反應，維持胞內穩態，因此與代謝響應通路具有密切的聯系。

2 COP囊泡對糖代謝的調控

葡萄糖攝取是葡萄糖胞內代謝的前提，也是降低內環境血糖的主要細胞機制[13]。胰島素介導葡萄糖攝取，調控糖類與脂質和蛋白質之間的物質能量代謝。在胰島β細胞中，胰島素首先以前胰島素原的形式被翻譯出來，隨后被其N端的信號肽引導至ER，在那里它的A鏈和B鏈以二硫鍵相連，形成具有穩定的3D構型的胰島素原。胰島素原隨即被轉運至高爾基體，經激素原轉化酶切去沒有作用的C肽，經羧基肽酶E除去C端部分氨基酸，形成成熟的胰島素[14]。可以說，囊泡對于胰島素的分泌是不可或缺的。研究發現，在小鼠胰島β細胞MIN6中敲除COP II復合體的關鍵分子Sar1會導致胞內COP II囊泡的內質網出芽障礙和胰島素原運輸障礙[15]。

葡萄糖攝取過程中另一個關鍵角色是人體內的主要葡萄糖轉運蛋白GLUT4，它存在于脂肪組織和肌肉組織中，在維持機體內葡萄糖穩態方面具有重要作用。葡萄糖轉運蛋白GLUT4被動態分選并保留在細胞內，并通過胰島素調節的囊泡運輸（或“GLUT4轉位”）重新分配到質膜（Plasma membrane，PM），其含量在囊泡和細胞膜之間處于動態平衡[16]。Rab蛋白作為胞內膜運輸途徑的主要調控因子在GLUT4轉位中起重要功能。肌肉細胞中，胰島素誘導Rab8A結合肌球蛋白Va（Myosin Va，MyoVa），肌球蛋白Va與肌動蛋白絲相互作用，從而促進攜帶有GLUT4的囊泡連續出芽[17]。Rab13在被胰島素激活后，則可與GLUT一同共定位于質膜附近的細胞皮層，幫助GLUT4囊泡錨定于皮質肌動蛋白絲，促進囊泡融合。Rab8A的核周作用和Rab13的外周作用可相互協調，完成肌肉細胞中胰島素調控的GLUT4囊泡定位[18]。在脂肪細胞中，Rab10起到與Rab8A和Rab13類似的作用，不過它主要在皮層胞質結合MyoVa[19]。

3 COP囊泡對脂代謝的調控

細胞內的脂質轉運是維持脂質代謝穩態的關鍵。它們在內質網中的合成，在細胞外的運輸，在不同細胞的轉化及其對相關基因及轉錄因子的調控都依賴于其在細胞內亞細胞器和細胞質膜之間的適當分布。囊泡轉運對于脂代謝調節的多個環節都是必不可少的，尤其是在脂質的吸收、膽固醇的合成、甘油三酯分解等方面。

腸道對于脂質的吸收是食物脂質和脂溶性維生素被送往不同組織加以利用的前提條件[20]。腸內皮細胞攝取脂解產物并將其酯化后，在內質網中將其包裝進前乳糜微粒（pre-chylomicrons）中運送到順式高爾基體。在高爾基體內這些脂質被進一步加工形成成熟的乳糜微粒，隨后進入淋巴并通過胸導管進入全身循環[21]。乳糜微粒蓄積癥（Chylomicron retention disease，CRD）以脂肪吸收不良，脂肪瀉，慢性腹瀉，脂溶性維生素缺乏癥，低膽固醇血癥和發育遲緩等為主要臨床特征，其患者被報道存在Sar1B基因的突變，干擾前乳糜微粒向高爾基體的轉運和后續加工，這意味著乳糜微粒的分泌障礙可能與COP II有關[22,23]。由此可見COP囊泡的功能損害可能影響脂質的吸收，甚至造成嚴重的脂代謝紊亂。

轉錄因子SREBP對膽固醇合成發揮著負反饋作用。SREBP蛋白有3種：SREBP-2主要激活膽固醇合成相關基因，而SREBP-1a和SREBP-1c對脂肪酸合成相關基因影響更大。當膽固醇含量豐富時，SREBP會留在內質網中，并與護送蛋白SREBP切割激活蛋白（SREBP cleavage activating protein，SCAP）和內質網駐留膜蛋白胰島素誘導基因（Insulin-induced gene，Insig）蛋白結合。低膽固醇導致SCAP的固醇敏感域構象變化，使其與Insig蛋白解離，同時通過誘導SCAP與內質網和脂滴相關蛋白（Cell death-inducing DFF45-like effector B，Cideb）相互作用，促進SREBP/SCAP裝載到COP II囊泡中，從ER出芽[24]。此外，Cideb與鳥嘌呤核苷酸交換因子Sec12結合，在ER出口位點富集SCAP/SREBP，啟動 COPII復合物的組裝[25]。接著COP II囊泡將SREBP-SCAP運送到高爾基體，被兩種蛋白酶催化形成活性形式的SREBP，它們隨后易位到細胞核激活靶基因的轉錄。

脂滴是儲存甘油三酯和甾醇酯的細胞器，也是甘油三酯儲存和分解的主要場所，所以在能量儲存、體內平衡和生物合成方面至關重要[26]。包括脂肪酶（Adipose triglyceride lipase，ATGL）、脂肪分化相關蛋白（Adipose differentiation-related protein，ADRP）在內的多種酶及酶的輔因子從ER向脂滴轉運介導脂解作用[27]。研究表明，依次突變GBF1、Arf1和COP I的β亞基，發現運輸至脂滴的ATGL減少或錯誤運輸至蛋白酶體降解，說明ATGL是通過GBF1-Arf1-COP I途徑運輸到脂滴的。同樣，COP II復合體組裝起始因子Sar1和組成部分sec13的突變導致的ATGL或ADRP到脂滴的運輸障礙，也表明該運輸過程對COP II囊泡的需求[27]。

4 結語

本文綜述了COP囊泡的基本功能，闡述其在正常情況下對糖脂代謝的調控作用，為代謝性疾病的機制研究提供了新思路：疾病相關的代謝異常可能與COP囊泡對關鍵分子的轉運障礙有關。