PNAS | 齐鲁师范学院李师鹏团队揭示细胞内“物流”管理新机制

细胞如同一个高度有序的微观都市，其中数以千万计的蛋白质分子必须被精准运送至特定位置以执行功能。这一过程依赖于被称为“囊泡运输”的精密“物流系统”。该系统的失调在人类中可导致神经系统疾病、糖尿病与免疫缺陷，在植物中则影响个体发育与抗逆性。囊泡运输的核心环节是运输囊泡与靶膜的识别与融合。上世纪80年代，Randy W. Schekman团队在酵母中筛选出调控囊泡运输的关键基因，并发现胞泌复合体（Exocyst complex）负责囊泡在靶膜上的识别与拴系。随后，James E. Rothman团队揭示了SNARE蛋白复合体在目的膜的组装是介导膜融合的核心机制。这两项里程碑成果共同荣获2013年诺贝尔生理学或医学奖。

然而，关于胞泌复合体的组装机制，学界长期存在争议：它是抵达靶膜后临时组装，还是预先形成完整的功能单元？

近日，齐鲁师范学院李师鹏教授团队在PNAS上在线发表了题为Preassembly and independent trafficking of the exocyst complex inArabidopsis的研究论文，首次在植物中揭示胞泌复合体以预组装形式存在，并采取与货物囊泡“分头行动、双向奔赴、协同投递”的新机制。该发现不仅为理解细胞内精准物流调控提供了新范式，也为合成生物学领域的“细胞工厂”设计奠定了关键理论基础。

突破性发现：胞泌复合体“提前组队”，与货物“分头行动”

研究团队整合先进活细胞成像、遗传学与药理学手段，在拟南芥细胞中成功追踪了囊泡运输相关蛋白的互作过程，取得了两项关键发现。1）证实预组装模型：研究首次证实，胞泌复合体在抵达细胞膜之前，已在细胞质中组装为完整功能单元（cis-Exocyst复合体），从而解决了学界对其“就地组装(Local assembly)”假说的长期争论。2）揭示“分头行动”策略：更出乎意料的是，胞泌复合体并不直接搭载“货物囊泡”同行，而是先借助“空载囊泡”到达细胞皮层区域，再与载货囊泡通过“异源融合”机制实现精准对接，最终协同完成投递。这一发现揭示了一种前所未知的“并行机制”：即复合体组装与货物装载相互独立、协同推进，从而保障了细胞内物流的效率与准确性。

插图1 植物细胞中胞泌复合体的工作模式图。胞泌复合体在未知细胞器预先组装，随后通过循环囊泡（cycling vesicles, CV）转移到细胞皮层。同时，纤维素合酶复合体（CSCs）在高尔基体内组装，并通过分泌囊泡（secretory vesicles，SV）输送到皮层。在皮层区域内，CV与SV的相互作用导致“CEST”（CompEtent Structure for Tethering）的形成，介导PM处货物囊泡的栓系。

技术创新：构建活细胞内蛋白互作的实时追踪体系

为在活细胞中解析这一动态过程，研究团队构建了一套高分辨率蛋白互作实时追踪体系，其核心包括：

• 双相机同步追踪系统：采用双sCMOS相机同步成像，实现对高速运动胞内颗粒的双视角精准捕捉，精准捕捉蛋白的互作事件；
• FRET-FLIM互作检测：集成荧光共振能量转移-荧光寿命成像显微镜（FRET-FLIM）技术，在生理条件下定量评估蛋白互作强度与时空动态；
• 多维信号解析：通过运动轨迹与Z轴步进分析，有效区分细胞膜与皮层信号，显著提升空间分辨率与信噪比。

插图2 利用FRET-FLIM检测EXO70A1-GFP与tdTomato-CESA6在细胞皮层的体内互作。

综上所述，该研究不仅填补了植物细胞囊泡运输领域的机制空白，也为重新审视酵母与动物细胞中的经典模型提供了新视角，有望推动对相关人类疾病分子机制的再理解与新药靶点发掘。研究结果为合成生物学中“细胞工厂”的理性设计提供了关键理论依据。未来通过精准调控囊泡运输效率，可优化工业菌种与底盘细胞，显著提升生物制造能力，赋能国家新质生产力战略。

齐鲁师范学院蒋苏副教授为本文第一作者，李师鹏教授为通讯作者。法国巴黎-萨克雷大学Samantha Vernhettes教授、荷兰拉德堡德大学Jian Xu教授、美国罗格斯大学Juan Dong教授、中国科学院植物研究所刘春明研究员及青岛农业大学郭善利教授共同参与合作。

参考文献：

Novick, P., & Schekman, R. (1979). Secretion and cell-surface growth are blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharomyces cerevisiae. 76(4), 1858–1862.

Novick, P., Field, C., & Schekman, R. (1980). Identification of 23 complementation groups required for post-translational events in the yeast secretory pathway. 21(1), 205–215.

Wilson, D. W., Wilcox, C. A., Flynn, G. C., Chen, E., Kuang, W. J., Henzel, W. J., Block, M. R., Ullrich, A., & Rothman, J. E. (1989). A fusion protein required for vesicle-mediated transport in both mammalian cells and yeast. Nature, 339(6223), 355–359.

https://doi.org/10.1073/pnas.2519318122