上海
轉(zhuǎn)運必需內(nèi)體分選復(fù)合物 - Ⅲ（ E ndosomal S orting C omplex R equired for T ransport III ， ESCRT-III ） 是真核細(xì)胞中 唯一一類在背離細(xì)胞質(zhì)方向介導(dǎo)膜剪切的分子機器， 廣泛參與多泡體形成、細(xì)胞分裂、 自噬 等重要生理過程 ，其功能異常與神經(jīng)退行性疾病、癌癥、病毒感染等密切相關(guān) 。 ESCRT-III 亞基可組裝成 平面 螺旋、錐形螺旋和 管狀 螺旋等多種高階結(jié)構(gòu)。長期以來， 平面螺旋 被認(rèn)為是 ESCRT-III 啟動 膜剪切 的“預(yù)備狀態(tài)”，然而 這一結(jié)構(gòu)的功能必要性及調(diào)控機制長期缺乏直接實驗證據(jù) 。 更關(guān)鍵的是， ESCRT-III 核心亞基（如酵母 Snf7 ）的 a 4 與 a 5 螺旋之間，存在一段未被解析的柔性連接 區(qū) （ linker ）， 其功能 一直未被大家所了解。南方科技大學(xué)沈慶濤團隊長期研究 ESCRT-III 介導(dǎo)膜剪切的分子機制， 率先發(fā)現(xiàn)了 ESCRT- III 在膜上形成的平面螺旋結(jié)構(gòu)【1】。 2024 年 團隊提出 EAAR 重構(gòu)策略，率先揭示了 Snf7 平面螺旋的組裝機制，分析表明 linker 長度可能在調(diào)控 ESCRT-III 高階結(jié)構(gòu)組裝與膜剪切中發(fā)揮關(guān)鍵作用【2】。
近日，沈慶濤團隊聯(lián)合浙江大學(xué)王勇團隊在Journal of Cell Biology雜志上發(fā)表題為Linker extension impairs ESCRT-III flat spirals and the mediated membrane abscission的研究論文（圖1）。通過在Snf7的linker區(qū)域設(shè)計插入不同長度的甘氨酸，構(gòu)建了一系列linker延長突變體。綜合利用冷凍電鏡（ cryo-EM ）結(jié)構(gòu)解析、細(xì)胞熒光成像及冷凍電子斷層掃描（ cryo-ET ）原位成像等技術(shù)，系統(tǒng)闡明了linker對Snf7組裝形態(tài)與膜剪切功能的調(diào)控作用。
圖 1 文章首頁
為了研究 linker 長度是否是決定 Snf7 組裝形態(tài)的關(guān)鍵。研究團隊首先在體外構(gòu)建了近似天然狀態(tài)的組裝體系，結(jié)果表明 插入 5 個甘氨酸 的突變體（ Snf7-ins5G ） 仍能形成與野生型一致的 平面 螺旋 ； 當(dāng)插入甘氨酸數(shù)量超過 10 個 （ Snf7-ins10G/15G/20G ） ， 突變體 則完全轉(zhuǎn)變 為直徑約 40 nm 的閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 接著，團隊選擇 Snf7-ins15G 形成的環(huán)狀復(fù)合物進行結(jié)構(gòu)解析，結(jié)果顯示 linker 延伸特異地使 a 2/3 螺旋發(fā)生彎曲松弛，但并未破壞 Snf7 其他結(jié)構(gòu)域。
Linker 長度的變化是否會對 ESCRT- Ⅲ的膜剪切產(chǎn)生影響？ 研究人員進行了酵母刀豆氨酸敏感性實驗、 Mup1-GFP 內(nèi)膜運輸實驗及冷凍電子斷層掃描原位觀察。結(jié)果顯示， 與 野生型 Snf7 相同， Snf7-ins5G 仍然 支持正常的多泡體形成與內(nèi)膜運輸 。 而 Snf7-ins10G/15G/20G 則完全喪失功能，導(dǎo)致內(nèi)膜運輸阻滯 ， 從而形成 ClassE 的膜結(jié)構(gòu) 。這表明， ESCRT-III 平面螺旋 是其執(zhí)行 膜剪切 功能的必需結(jié)構(gòu)， 而 linker 長度通過調(diào)控 復(fù)合物組裝 直接影響其生理功能。 之后 ， 序列比對結(jié)果顯示 a 4 與 a 5 之間的 linker 長 度在 ESCRT-III 家族中高度保守，提示該調(diào)控模式具有進化上 的保守性 。
該研究首次通過精準(zhǔn)的 linker 長度調(diào)控 ，將 ESCRT-III 平面螺旋 轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)證明了 平面螺旋 是 膜剪切 不可或缺的功能單元。 通過與前期發(fā)表結(jié)果比較分析，提出 “小提琴弓”模型： 在 Snf7 亞基 中， a 2/3 如同“弓背”具有內(nèi)在彎曲傾向，而 linker 則像“弓弦”，通過 對抗 a 2/3 的彎曲趨勢，使 Snf7 鎖定在一種筆直且張力較高的構(gòu)象中，使其形成外徑較大的平面螺旋；延長 linker 如同放松弓弦，使得這種構(gòu)象約束被釋放， a 2/3 得以回到其偏好的彎曲狀態(tài)，從而促進 Snf7 組裝成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而非平面螺旋（圖2）。
圖 2 弓弦模型簡圖
綜上所述，本研究 不僅為“ 平面螺旋 作為 膜剪切 啟動狀態(tài)”的假說提供了直接證據(jù)，還揭示了 linker 具有 ESCRT-III 高階 復(fù)合物 組裝調(diào)控的關(guān)鍵作用。該機制在進化上保守，為理解古菌、細(xì)菌中 ESCRT-III 同源蛋白介導(dǎo)的 膜重塑 過程 提供了新視角。未來通過提高環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分辨率 ， 結(jié)合 動態(tài)模擬 等 ，將進一步闡明 ESCRT-III 如何利用構(gòu)象 轉(zhuǎn)變和 能量 釋放 驅(qū)動 膜剪切 這一細(xì)胞生物學(xué)基本問題。
原文鏈接：https://doi.org/10.1083/jcb.202503160
制版人：十一
參考文獻(xiàn)
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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