CARP囊泡:细胞内新型快速循环机制的发现与研究

内吞是细胞将外界或细胞膜上的物质通过膜囊泡运输进入细胞的关键过程。在此过程中,早期内体对进入的物质进行分选,大部分受体和膜蛋白通过循环途径回到细胞膜。然而,关于不同膜蛋白的循环途径和机制仍不完全清楚,尤其是是否存在独立于经典“快速”和“慢速”循环途径之外的新机制,仍有待深入研究。
2023年9月19日,中国科学院遗传与发育生物学研究所何康敏课题组在《自然-细胞生物学》(Nature Cell Biology)发表了一项关于细胞内新型快速囊泡循环途径的研究。这项研究通过多种成像技术,发现了一种新的快速囊泡循环途径,并将其命名为Clathrin-associated carriers in recycling pathway (CARP)。
CARP囊泡的发现及其特征
该研究利用前期开发的特异性磷脂探针PI(4,5)P2,通过三色全内反射荧光显微镜(TIRFM)进行成像,发现了一类clathrin阳性但AP2阴性的囊泡。这类囊泡在细胞膜上短暂停留,能够快速招募PI(4,5)P2探针,并与细胞膜发生短暂的“触-弹”(kiss-and-run)式的互作。该过程持续时间仅为几秒到几十秒,囊泡随后再次回到细胞内。这一发现标志着与经典内吞和循环囊泡完全不同的囊泡动力学,显示出这一囊泡具备独特的循环机制。
通过进一步研究,科研团队利用3D活细胞成像、超分辨成像和光电联合成像等技术,证实这些囊泡来自细胞内clathrin和AP1阳性的结构,表明其与内体内的经典循环途径存在显著差异。研究人员将这一类快速循环的囊泡命名为CARP囊泡。
CARP囊泡的生成与功能
为了深入解析CARP囊泡的生成机制,研究团队建立了基于TIRFM的活细胞成像筛选和图像分析系统,发现了与CARP囊泡相关的一系列蛋白质。这些蛋白质在不同阶段发挥不同作用,包括在CARP囊泡与细胞膜融合前、融合中及囊泡剪切后的过程。研究表明,这些蛋白质介导了CARP囊泡的生成、运输和融合。
同时,研究通过基因编辑敲除或敲降retromer、retriever等retrieval复合物的核心组分,发现CARP囊泡是以独立于经典retrieval复合物的方式生成于早期内体。更重要的是,CARP囊泡能够介导包括转铁蛋白受体等受体的持续循环,也可以促进β2-肾上腺素能受体和表皮生长因子受体等信号转导受体的快速循环。
CARP循环途径的独特性
CARP囊泡的循环途径与经典的囊泡循环机制存在显著不同。在生成方式、膜融合方式、功能及其关键调控因子方面,CARP途径展现了独特性。该研究通过耦合探测膜脂探针、基因编辑、成像技术和图像定量分析等手段,揭示了CARP途径在细胞内囊泡循环中的重要角色,表明其可能代表了一种全新的循环机制。
科研工作的支持与展望
该项研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持,展示了在内吞及囊泡循环领域的一项重要突破。CARP途径的发现,不仅拓展了我们对细胞内囊泡循环机制的认知,还为理解某些生理和病理状态下的膜蛋白循环提供了新的视角。
这一研究为未来深入探索CARP囊泡的生物学功能及其在细胞信号传导、代谢调节和疾病机制中的作用奠定了基础。随着更多研究的推进,CARP囊泡有望成为揭示细胞膜蛋白动态调控的重要分子工具,并为相关疾病的治疗提供潜在的干预靶点。
总之,CARP囊泡的发现为膜蛋白循环研究带来了新的突破,为未来细胞生物学研究开辟了新方向。