研究揭示小G蛋白ARF在囊泡分裂中的作用機制

中國科學院生物物理研究所孫飛課題組聯合美國哈佛大學醫學院Victor Hsu課題組、韓國浦項科技大學Seung-Yeol Park課題組、香港城市大學范俊課題組，在分子水平上揭示了ADP-核糖基化因子（ARF）小G蛋白在脂質膜上形成螺旋組裝體并驅動膜形成管狀結構，進而促進囊泡分裂的分子機制。

囊泡運輸是細胞內物質運輸的重要方式之一。囊泡的形成過程包括招募、出芽和分裂三個階段。此前的研究證實，ARF蛋白通過招募包被蛋白調控囊泡出芽，但其在分裂階段的作用機制尚不明確。

該研究利用冷凍電鏡技術和螺旋重構技術，捕捉到ARF6蛋白在脂質膜表面組裝成獨特的螺旋晶格結構。ARF6四聚體是最小的組裝單元，其內部主要依靠疏水作用和靜電相互作用維持穩定，而四聚體之間則通過電荷相互作用形成穩定的螺旋結構。同時，ARF6螺旋晶格結構的形成依賴于其N端的兩親螺旋插入細胞膜，進而形成管狀結構。進一步，分子動力學模擬驗證了ARF6四聚體的組裝穩定性，揭示其通過N端豆蔻酰基鏈和兩親螺旋的協同作用，實現與脂質膜的穩定結合。研究還發現，靶向ARF6晶格結構互作界面以及N端兩親螺旋的突變體，可特異性阻斷其介導的內吞再循環轉運功能，驗證了互作界面及兩親螺旋在內吞再循環轉運中的關鍵作用。功能實驗顯示，ARF6的GTP水解，觸發頸部斷裂，形成小囊泡，進而完成分裂過程。

ARF1與ARF6高度同源，同樣能夠誘導脂質膜形成管狀結構，這一功能與其在COPI囊泡分裂中的作用相關。COPI復合體囊泡重構實驗表明，ARF組裝方式是其驅動囊泡分裂的核心機制。當對ARF晶格中蛋白結合界面的關鍵殘基引入突變時，ARF1與包被蛋白復合物的結合未受影響，但囊泡的分裂過程卻受阻。這印證了此前發現的ARF1二聚體對囊泡分裂是必要的且該二聚體的界面恰好位于螺旋晶格的四聚體界面區域的成果。

上述研究闡釋了ARF蛋白在囊泡分裂過程中的分子機制，填補了最后階段囊泡分裂的關鍵機制信息缺失，為細胞內物質運輸的調控研究提供了新思路。

3月21日，相關研究成果以Structural elucidation of how ARF small GTPases induce membrane tubulation for vesicle fission為題，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃等的支持。

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