PNAS | 齊魯師范學院李師鵬團隊揭示細胞內“物流”管理新機制

細胞如同一個高度有序的微觀都市，其中數以千萬計的蛋白質分子必須被精準運送至特定位置以執行功能。這一過程依賴于被稱為“囊泡運輸”的精密“物流系統”。該系統的失調在人類中可導致神經系統疾病、糖尿病與免疫缺陷，在植物中則影響個體發育與抗逆性。囊泡運輸的核心環節是運輸囊泡與靶膜的識別與融合。上世紀80年代，Randy W. Schekman團隊在酵母中篩選出調控囊泡運輸的關鍵基因，并發現胞泌復合體（Exocyst complex）負責囊泡在靶膜上的識別與拴系。隨后，James E. Rothman團隊揭示了SNARE蛋白復合體在目的膜的組裝是介導膜融合的核心機制。這兩項里程碑成果共同榮獲2013年諾貝爾生理學或醫學獎。

然而，關于胞泌復合體的組裝機制，學界長期存在爭議：它是抵達靶膜后臨時組裝，還是預先形成完整的功能單元？

近日，齊魯師范學院李師鵬教授團隊在PNAS上在線發表了題為Preassembly and independent trafficking of the exocyst complex inArabidopsis的研究論文，首次在植物中揭示胞泌復合體以預組裝形式存在，并采取與貨物囊泡“分頭行動、雙向奔赴、協同投遞”的新機制。該發現不僅為理解細胞內精準物流調控提供了新范式，也為合成生物學領域的“細胞工廠”設計奠定了關鍵理論基礎。

突破性發現：胞泌復合體“提前組隊”，與貨物“分頭行動”

研究團隊整合先進活細胞成像、遺傳學與藥理學手段，在擬南芥細胞中成功追蹤了囊泡運輸相關蛋白的互作過程，取得了兩項關鍵發現。1）證實預組裝模型：研究首次證實，胞泌復合體在抵達細胞膜之前，已在細胞質中組裝為完整功能單元（cis-Exocyst復合體），從而解決了學界對其“就地組裝(Local assembly)”假說的長期爭論。2）揭示“分頭行動”策略：更出乎意料的是，胞泌復合體并不直接搭載“貨物囊泡”同行，而是先借助“空載囊泡”到達細胞皮層區域，再與載貨囊泡通過“異源融合”機制實現精準對接，最終協同完成投遞。這一發現揭示了一種前所未知的“并行機制”：即復合體組裝與貨物裝載相互獨立、協同推進，從而保障了細胞內物流的效率與準確性。

插圖1 植物細胞中胞泌復合體的工作模式圖。胞泌復合體在未知細胞器預先組裝，隨后通過循環囊泡（cycling vesicles, CV）轉移到細胞皮層。同時，纖維素合酶復合體（CSCs）在高爾基體內組裝，并通過分泌囊泡（secretory vesicles，SV）輸送到皮層。在皮層區域內，CV與SV的相互作用導致“CEST”（CompEtent Structure for Tethering）的形成，介導PM處貨物囊泡的栓系。

技術創新：構建活細胞內蛋白互作的實時追蹤體系

為在活細胞中解析這一動態過程，研究團隊構建了一套高分辨率蛋白互作實時追蹤體系，其核心包括：

• 雙相機同步追蹤系統：采用雙sCMOS相機同步成像，實現對高速運動胞內顆粒的雙視角精準捕捉，精準捕捉蛋白的互作事件；
• FRET-FLIM互作檢測：集成熒光共振能量轉移-熒光壽命成像顯微鏡（FRET-FLIM）技術，在生理條件下定量評估蛋白互作強度與時空動態；
• 多維信號解析：通過運動軌跡與Z軸步進分析，有效區分細胞膜與皮層信號，顯著提升空間分辨率與信噪比。

插圖2 利用FRET-FLIM檢測EXO70A1-GFP與tdTomato-CESA6在細胞皮層的體內互作。

綜上所述，該研究不僅填補了植物細胞囊泡運輸領域的機制空白，也為重新審視酵母與動物細胞中的經典模型提供了新視角，有望推動對相關人類疾病分子機制的再理解與新藥靶點發掘。研究結果為合成生物學中“細胞工廠”的理性設計提供了關鍵理論依據。未來通過精準調控囊泡運輸效率，可優化工業菌種與底盤細胞，顯著提升生物制造能力，賦能國家新質生產力戰略。

齊魯師范學院蔣蘇副教授為本文第一作者，李師鵬教授為通訊作者。法國巴黎-薩克雷大學Samantha Vernhettes教授、荷蘭拉德堡德大學Jian Xu教授、美國羅格斯大學Juan Dong教授、中國科學院植物研究所劉春明研究員及青島農業大學郭善利教授共同參與合作。

參考文獻：

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