10月13日，最新一期的Developmental Cell 上發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所孫飛研究組與合作研究單位關(guān)于囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)再循環(huán)過(guò)程中ACAP1分子重塑細(xì)胞膜機(jī)理的最新研究成果，論文的標(biāo)題為A PH domain in ACAP1 possesses key features of the BAR domain in promoting membrane curvature。
細(xì)胞膜的重塑（membrane remodeling）對(duì)于細(xì)胞器的生成、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和胞質(zhì)分裂等生理功能至關(guān)重要。含有BAR結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)家族被認(rèn)為是重塑細(xì)胞膜的一類(lèi)重要分子。已知BAR蛋白重塑細(xì)胞膜的分子機(jī)制有兩類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)簡(jiǎn)單的腳手架（scaffolding）機(jī)制，即BAR結(jié)構(gòu)域通過(guò)二聚化形成香蕉形結(jié)構(gòu)，之后通過(guò)靜電作用與細(xì)胞膜相互作用，以自身的曲率誘導(dǎo)膜變形；另一類(lèi)叫做N-BAR，通過(guò)N端的疏水或兩親性螺旋結(jié)構(gòu)插入細(xì)胞膜來(lái)產(chǎn)生不同的膜曲率誘導(dǎo)膜變形。然而，有很多蛋白，其BAR結(jié)構(gòu)域需要相鄰的PH結(jié)構(gòu)域來(lái)共同誘導(dǎo)細(xì)胞膜變形，其中的分子機(jī)制尚不明晰。
孫飛研究組與哈佛醫(yī)學(xué)院Victor Hsu研究組、香港城市大學(xué)范俊研究組合作，以ACAP1(ArfGAP with coiled coil, ANK repeat and PH)的BAR-PH結(jié)構(gòu)單元為研究對(duì)象，通過(guò)冷凍電鏡、X射線(xiàn)晶體學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等多種技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)單元在胞吞再循環(huán)過(guò)程中采用了不同于之前已知的兩類(lèi)細(xì)胞膜重塑機(jī)制，并對(duì)該機(jī)制的詳細(xì)分子機(jī)理進(jìn)行了解析。研究結(jié)果表明，在BAR-PH這樣的結(jié)構(gòu)單元中，PH結(jié)構(gòu)域起到了關(guān)鍵作用，其通過(guò)識(shí)別磷酸化的磷脂酰肌醇來(lái)與細(xì)胞膜相互作用，并將一個(gè)兩親性loop結(jié)構(gòu)插入細(xì)胞膜引起膜曲率并誘導(dǎo)膜變形，而B(niǎo)AR結(jié)構(gòu)域僅僅起到一個(gè)支架作用，通過(guò)彼此相互作用在細(xì)胞膜上聚集，促進(jìn)細(xì)胞膜的最終變形。在該項(xiàng)研究中，冷凍電鏡三維重構(gòu)數(shù)據(jù)提供了最直接的證據(jù)，而分子動(dòng)力學(xué)模擬則進(jìn)一步印證了冷凍電鏡的觀察結(jié)果和生化的數(shù)據(jù)。
事實(shí)上，除ACAP1外，還存在很多蛋白其含有BAR-PH結(jié)構(gòu)單元，如ArfGAP家族和APPL蛋白等，此外還存在很多蛋白其含有PX-BAR結(jié)構(gòu)單元，如sorting nexin家族，推測(cè)它們可能具有與ACAP1相似的膜結(jié)合和重塑功能。因此，該項(xiàng)研究所發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞膜重塑分子機(jī)理可能廣泛存在于囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)分子過(guò)程中，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的借鑒。
中科院生物物理所孫飛研究員與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Victor Hsu教授為該工作的共同通訊作者。論文第一作者孫飛組助理研究員龐效云是該工作的主要完成人。第二作者香港城市大學(xué)的范俊博士完成了分子動(dòng)力學(xué)模擬的工作。第三作者孫飛組副研究員張艷博士完成了冷凍電鏡圖像數(shù)據(jù)的處理。該研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及美國(guó)NIH的資助。
圖示：ACAP1重塑細(xì)胞膜的分子機(jī)制。按照比例放大順序：脂質(zhì)體與BAR-PH孵育后的負(fù)染電鏡圖像；BAR-PH覆蓋的管狀結(jié)構(gòu)的冷凍電鏡密度圖；BAR-PH螺旋結(jié)構(gòu)在管狀結(jié)構(gòu)上的作用模型；分子動(dòng)力學(xué)模擬PH結(jié)構(gòu)域插入細(xì)胞膜的作用。
