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网格蛋白的衔接复合体网格蛋白的衔接复合体 AP 1AP 1 在极性分选中的作用在极性分选中的作用 桐珏桐珏 摘要摘要 囊泡运输的蛋白质或脂质的选择性转运是支持一个细胞生理学的基本过 程 在供体膜上 萌芽过程包括货物分拣和囊泡形成 是囊泡运输中一个重要 的过程 此过程对于上皮细胞的极性分选显得尤为重要 其中的货物分子需要 有选择性地进行分选和运输到两个不同的目的地 顶端或基底膜 衔接蛋白 AP 1 是 AP 复合体家族的一员 其中包括广泛性表达的 AP 1A 蛋白和上皮细胞 特异性表达的 AP 1B 蛋白 AP 1 负责在 TGN 和循环体中调节极性分选 越来越 多的证据 特别是从研究使用有机体和动物模型 表明 AP 1 介导的极性分选支 持多细胞单元作为功能性器官和组织的生育和生理过程 这些数据也表明 AP 1 复合体对于多细胞生物体的生理的重大作用 因为它是作为上皮细胞极性分选 的主调节器 关键词 AP1 复合体 囊泡运输 网格蛋白 极性分选 上皮细胞 The Role of the Clathrin Adaptor AP 1 in Polarized Sorting Tong Jue Abstract The selective transport of proteins or lipids by vesicular transport is a fundamental process supporting cellular physiology The budding process involves cargo sorting and vesicle formation at the donor membrane and constitutes an important process in vesicular transport This process is particularly important for the polarized sorting in epithelial cells in which the cargo molecules need to be selectively sorted and transported to two distinct destinations the apical or basolateral plasma membrane Adaptor protein AP 1 a member of the AP complex family which includes the ubiquitously expressed AP 1A and the epithelium specific AP 1B regulates polarized sorting at the trans Golgi network and or at the recycling endosomes A growing body of evidence especially from studies using model organisms and animals demonstrates that the AP 1 mediated polarized sorting supports the development and physiology of multi cellular units as functional organs and tissues These data highlight the significant contribution of AP 1 complexes to the physiology of multicellular organisms as master regulators of polarized sorting in epithelial cells Keywords AP 1 complex vesicular transport clathrin polarized sorting epithelial cell 引言引言 细胞内小泡运输是一种基本的膜转运过程 通过小膜载体囊泡支配蛋白质 和脂质的转运 1 2 各种细胞器发送和接受这些囊泡运输载体 从而去运输或交 换其中的材料 这是一个支持细胞和生理活动的管家功能 同时 各细胞器的 膜成分必须保持分离 不能交互混合 以便于让每个细胞器保持它自己的特性 并实现一个独特的功能 因此 细胞内的小泡输送系统被严格控制 实现了高 精密 主动性以及通过膜识别每个细胞器或者形成膜结构域的无缝膜转运 各 细胞器或膜构成结构域的转运 细胞进化形成自己的细胞内小泡运输网络 这样的网络不同于自己的复杂 性和多样性 取决于有机体或细胞类型 多细胞生物 包括哺乳动物 拥有许 多不同类型的细胞 每一个细胞都有自己独特的一套功能 对于小泡运输 细 胞往往具有一个独特的系统 例如 上皮细胞是有极性的细胞 它含有两个不 同的生化膜结构域 即 顶端和基底膜结构域 3 这些质膜通过连接结构控制 生理性的细胞分离 其中包括黏着连接和紧密连接 4 这些连接复合体防止领 域特异性膜蛋白和脂类的自发扩散 这样的不对称膜组件的分布对于上皮细胞 的功能是必不可少的 然而 为了要建立和维持这种极性 需要从非极性细胞 不同的方式运输蛋白质和脂类 5 上皮细胞通过利用极性囊泡运输来完成这项 任务 在顶端或基底运输是由特定的机理调控到每一个途径 通过细胞质适配 器介导的基底运输 识别在货物分子中的分选决定因子 然而很少有特定的顶 端运输被了解 通过跨膜或细胞外区域的货物蛋白本身去介导运输 5 9 衔接蛋白 AP 1 是 AP 复合体家族的一员 在基底运输中是一个著名的机 理 这是一个真核生物囊泡运输和蛋白质分选的主要监管机构 在本文中 我 们回顾了最近的一些研究强调 AP 1 的作用并探讨了极性分选和小泡运输的调 节模式 特别是 我们讨论了上述过程的多细胞生理方面的背景资料 1 AP 复合物 一种进化保守的网格蛋白适配器 AP 复合体最初是从形态学的研究发现的 随后 通过生化特性分析 它是 哺乳动物大脑网格蛋白小泡 CCV 的一部分 10 17 后来 在酵母中发现 AP 复合物进化上相当保守 18 它形成了一个异四聚体复合物 包括两大亚基 或 一个中亚基 1 5 和一个小亚基 1 5 目前为止共有七个 AP 复合物 包括两个组织类型 已在哺乳动物中确 认 19 20 图 1 他们拥有共同的异源性 然而 它们的调节途径不同 但会有 部分交错 AP 1 和 AP 4 调节高尔基网络 TGN 核内体途径 AP 2 调节內 吞途径 AP 3 和 AP 5 调节内含体到溶酶体途径 它们的调节途径分别在其他 文献中展示 19 22 2 AP 复合物调节货物分选和囊泡运输 在一般情况下 囊泡运输是一个连续的过程 来自于供体膜的囊泡出芽是 通过运输囊泡融合方法形成的 23 24 AP 复合体的作用部位是供体细胞膜 其中 货物分子被加载到正在萌芽的囊泡中 25 一旦 AP 复合体招募供体膜的 亚基 或 分子 它识别和结合分选信号 如酪氨酸基或双亮氨酸基信号 在货物蛋白中被编码 26 27 这个重要的分选过程 使货物选择性的装载到新生 的运输囊泡中 同时 AP 复合体还招募网格蛋白 或其他一些辅助蛋白 将 通过自组装形成囊泡 这最终促进了了网格蛋白包被小泡 CCV 的形成 因 此在囊泡运输的萌芽阶段 AP 复合体调节货物分拣和囊泡的形成 AP 复合体广泛分布在分泌晚期 其內吞途径控制着 post TGN 的分选和囊 泡运输 19 事实上 所有 AP 复合体的调节作用已经远远超出中文献中所论述 的 因此 我们将把注意力集中在 AP 1 及其极性分选的作用 在其他的有机 体中 当 AP 1 复合体缺乏特异性上皮细胞表达的 1B 亚基时 AP 1A 代表 AP 1 复合体窝藏 1 亚基 3 AP 1B 复合体的发现 一些研究已经表明 上皮细胞的基底分选以一种依赖分选信号的形式发生 在 TGN 上 然而有一种于此对立的观点 即它是一种独立的方式进行分选 28 但是 潜在的极性基底分选的分子机制是未知的 这个问题最终被解决是通过 分析上皮细胞的一种 AP 复合体的特定表达 Ohno 等人 利用生物信息学分析 鉴定了一种新的 亚单位 因为这个新的 亚基与已知的 1 亚基高度相似 新发现的 亚单位被命名为 1B 而现有的 1 更名为 1A 不像普遍表达 的 1A 1B 在组织上皮细胞特异表达 29 然而 当下显而易见的是 1B 在某些上皮细胞中并不表达 30 有趣的是 与其他 AP 复合体的 亚基类似 1B 也能够直接识别并结合酪氨酸为基础的基序 对应于一个分选信号 从 而提高了在上皮细胞 1B 亚基介导的极性分选的可能 29 这个想法随后通过了 细胞生物学特性验证 4 AP 1B 调节上皮细胞的极性分选 Folsch 等人 发现 1B 纳入一个含有 1 和 1 亚基的复合体 从而 在上皮细胞形成一种新的 AP 1B 复合体 因此 在上皮细胞有两 AP 1 复合体 即 AP 1A 其中有 1A 和 AP 1B 其中有 1B 更重要的是 在 LLC PK1 细胞 1B 外源性表达修复基底特定膜蛋白的定位 包括低密度脂蛋白受 体 LDLR 和转铁蛋白受体 TfR 31 这为 AP 1B 介导基底细胞提供了直 接证据 在解决有关基底上皮细胞分选的分子机制的长期问题向前迈了一步 通过 siRNA 介导的 MDCK 细胞敲除 1B 32 证明了 AP 1B 在极性分选的作 用 33 5 AP 1A 可能参与极性分选 虽然现在确立了 AP 1B 调节上皮细胞极性分选 但是最近研究表明 AP 1 的普遍存在形式 AP 1 也参与极性分选 Gravotta 等人 发现 AP 1A 调节直接 从 TGN 蛋白基底运输 而 AP 1B 控制它从内涵体回收 如先前报道的 33 37 这些膜主要定位支持 由 1A HA 或 1B HB 瞬时表达研究 在 TGN 和循环内 涵体 35 38 这些结果认为 AP 1A 和 AP 1B 控制不同细胞器的基底分选 39 另 一种模型随后被 Bonifacino 和他的同事在 2013 发表 郭等 40 通过荧光蛋白标记 发现 AP 1A 和 AP 1B 在很大程度上共定位到 TGN 和内涵体上 那么 AP 1A 和 AP 1B 发挥怎么样的作用呢 发现 1B 可以优先结合一系列基底膜的分选 信号 从而表明信号识别由 1 个亚基决定了它们的分选功能 而不是差分定 位 因此 作者认为有 1B 表达扩大上皮细胞基底分拣信号 41 虽然该机制为 基底的 AP 1B 和 AP 1A 分选 信号调控的一个不同的子集与不同的定位识别 但不同的是这些研究都强烈表明 AP 1A 有能力介导上皮细胞基底膜运输 6 AP 1B 在组织和生物中的作用 直到现在 对于 AP 1B 有大量的研究 就像 AP 1A 包括上皮细胞极性分 选的监管机制所用细胞培养系统和体外分析已经对上述问题进行了讨论 考虑 上皮细胞的性质 这样的方法可能不足以研究 AP 1 的生理作用 特别是在组 织或器官的平衡发展的作用 因此 我们将研究模式植物的某些可能与 AP 1 功能缺陷相关的生理现象 这可能会引出 AP 1 某些新奇的功能 关于 AP 1 的 细胞和分子功能的更多详情 有待进一步的研究 7 AP 1 识别线性基序 与 AP 2 相比 研究 AP 1 信号识别的发现有惊人的相似之处 但也有显著 的不同 AP 1 是连接 TGN 和内涵体相关的 CCV 的重要组成原件 42 并牵连有 许多途径 包括 TGN 和内涵体之间的双向运输 从 TGN 出口到质膜 40 43 47 从 TGN 或内涵体的上皮细胞基底域的极性分选证明了 AP 2 在突触囊泡蛋白的 内吞作用 AP 1 在这些途径的功能还包括线性基序 类似于 AP 2 机制识别 比如 YXX 和 XXXL 基序 47 48 另一方面 调节膜的招募和构象的激活是相 当不同的 AP 1 结合 4 磷酸磷脂酰肌醇 PtdIns 4 具有丰富的结构和机 制 然而 这种结合对有效的招募太弱了 相反 AP 1 招募到膜的主要决定因 素是结合 GTP 结合的活性形式 49 ARF 的家庭成员之一 包括 ARFRP1 40 也可能在起 AP 1 膜招募的功能 8 总结 AP 1 自 1999 年发现以来 AP 1B 已经在上皮细胞极性分选中建立了中心 作用 此外 AP 1 的研究已经取得了很大进展 包括最近发现的意想不到的 AP 1A 在极性分选的作用 这带来了更多难以回答的问题 上皮细胞如何利用 AP 1A 和 AP 1B 呢 它们的机理又有什么区别呢 为什么有一些上皮细胞进化 到有 1B 利用动物模型研究清楚地突出的 AP 1B 和 AP 1 在体内调节极性分选 的重要性这些研究给我们带来了新的关于 AP 1B 的生理作用的观点 包括生理 和发育 并强调了一些意想不到的功能 如顶端分选的调节 然而 我们仍然 不能完全理解 AP 1A 和 AP 1B 在表达和调节的不同之处 此外 缺乏 1B 亚 基在上皮细胞表达的机理仍然是让人难以捉摸 参考文献 1 Palade G Intracellular aspects of the process of protein synthesis Science 1975 189 347 358 2 Randy W Schekman Nobel Lecture Genetic and Biochemical Dissection of the Secretory Pathway www nobelprize org nobel prizes medicine 2013 3 Nelson W J Adaptation of core mechanisms to generate cell polarity Nature 2003 422 766 774 4 Tsukita S Furuse M Itoh M Multifunctional strands in tight junctions Nat Rev Mol Cell Biol 2001 2 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