JCB | 沈庆涛团队与合作者揭示ESCRT-III平面螺旋在膜剪切中的关键作用机制

转运必需内体分选复合物 - Ⅲ（ E ndosomal S orting C omplex R equired for T ransport III ， ESCRT-III ） 是真核细胞中 唯一一类在背离细胞质方向介导膜剪切的分子机器， 广泛参与多泡体形成、细胞分裂、 自噬 等重要生理过程 ，其功能异常与神经退行性疾病、癌症、病毒感染等密切相关 。 ESCRT-III 亚基可组装成 平面 螺旋、锥形螺旋和 管状 螺旋等多种高阶结构。长期以来， 平面螺旋 被认为是 ESCRT-III 启动 膜剪切 的“预备状态”，然而 这一结构的功能必要性及调控机制长期缺乏直接实验证据 。 更关键的是， ESCRT-III 核心亚基（如酵母 Snf7 ）的 a 4 与 a 5 螺旋之间，存在一段未被解析的柔性连接 区 （ linker ）， 其功能 一直未被大家所了解。南方科技大学沈庆涛团队长期研究 ESCRT-III 介导膜剪切的分子机制， 率先发现了 ESCRT- III 在膜上形成的平面螺旋结构【1】。 2024 年 团队提出 EAAR 重构策略，率先揭示了 Snf7 平面螺旋的组装机制，分析表明 linker 长度可能在调控 ESCRT-III 高阶结构组装与膜剪切中发挥关键作用【2】。

近日，沈庆涛团队联合浙江大学王勇团队在Journal of Cell Biology杂志上发表题为Linker extension impairs ESCRT-III flat spirals and the mediated membrane abscission的研究论文（图1）。通过在Snf7的linker区域设计插入不同长度的甘氨酸，构建了一系列linker延长突变体。综合利用冷冻电镜（ cryo-EM ）结构解析、细胞荧光成像及冷冻电子断层扫描（ cryo-ET ）原位成像等技术，系统阐明了linker对Snf7组装形态与膜剪切功能的调控作用。

图 1 文章首页

为了研究 linker 长度是否是决定 Snf7 组装形态的关键。研究团队首先在体外构建了近似天然状态的组装体系，结果表明 插入 5 个甘氨酸 的突变体（ Snf7-ins5G ） 仍能形成与野生型一致的 平面 螺旋 ； 当插入甘氨酸数量超过 10 个 （ Snf7-ins10G/15G/20G ） ， 突变体 则完全转变 为直径约 40 nm 的闭合环状结构。 接着，团队选择 Snf7-ins15G 形成的环状复合物进行结构解析，结果显示 linker 延伸特异地使 a 2/3 螺旋发生弯曲松弛，但并未破坏 Snf7 其他结构域。

Linker 长度的变化是否会对 ESCRT- Ⅲ的膜剪切产生影响？ 研究人员进行了酵母刀豆氨酸敏感性实验、 Mup1-GFP 内膜运输实验及冷冻电子断层扫描原位观察。结果显示， 与 野生型 Snf7 相同， Snf7-ins5G 仍然 支持正常的多泡体形成与内膜运输 。 而 Snf7-ins10G/15G/20G 则完全丧失功能，导致内膜运输阻滞 ， 从而形成 ClassE 的膜结构 。这表明， ESCRT-III 平面螺旋 是其执行 膜剪切 功能的必需结构， 而 linker 长度通过调控 复合物组装 直接影响其生理功能。 之后 ， 序列比对结果显示 a 4 与 a 5 之间的 linker 长 度在 ESCRT-III 家族中高度保守，提示该调控模式具有进化上 的保守性 。

该研究首次通过精准的 linker 长度调控 ，将 ESCRT-III 平面螺旋 转变为环状结构，并系统证明了 平面螺旋 是 膜剪切 不可或缺的功能单元。 通过与前期发表结果比较分析，提出 “小提琴弓”模型： 在 Snf7 亚基 中， a 2/3 如同“弓背”具有内在弯曲倾向，而 linker 则像“弓弦”，通过 对抗 a 2/3 的弯曲趋势，使 Snf7 锁定在一种笔直且张力较高的构象中，使其形成外径较大的平面螺旋；延长 linker 如同放松弓弦，使得这种构象约束被释放， a 2/3 得以回到其偏好的弯曲状态，从而促进 Snf7 组装成环状结构，而非平面螺旋（图2）。

图 2 弓弦模型简图

综上所述，本研究 不仅为“ 平面螺旋 作为 膜剪切 启动状态”的假说提供了直接证据，还揭示了 linker 具有 ESCRT-III 高阶 复合物 组装调控的关键作用。该机制在进化上保守，为理解古菌、细菌中 ESCRT-III 同源蛋白介导的 膜重塑 过程 提供了新视角。未来通过提高环状结构的分辨率 ， 结合 动态模拟 等 ，将进一步阐明 ESCRT-III 如何利用构象 转变和 能量 释放 驱动 膜剪切 这一细胞生物学基本问题。

原文链接：https://doi.org/10.1083/jcb.202503160

制版人：十一

参考文献

1. Shen QT, Schuh AL, Zheng Y, Quinney K, Wang L, Hanna M, et al. Structural analysis and modeling reveals new mechanisms governing ESCRT-III spiral filament assembly.J Cell Biol.2014;206(6).

2. Liu M, Liu Y, Song T, Yang L, Qi L, Zhang YZ, et al. Three-dimensional architecture of ESCRT-III flat spirals on the membrane.Proc NatlAcadSci U S A.2024;121(20).

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