細胞如同一個高度有序的微觀都市，其中數(shù)以千萬計的蛋白質(zhì)分子必須被精準運送至特定位置以執(zhí)行功能。這一過程依賴于被稱為“囊泡運輸”的精密“物流系統(tǒng)”。該系統(tǒng)的失調(diào)在人類中可導致神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖尿病與免疫缺陷，在植物中則影響個體發(fā)育與抗逆性。囊泡運輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)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(diào)控囊泡運輸?shù)年P鍵基因，并發(fā)現(xiàn)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(yī)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(fā)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(xié)同投遞”的新機制。該發(fā)現(xiàn)不僅為理解細胞內(nèi)精準物流調(diào)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(fā)現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)。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(zhì)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(qū)域，再與載貨囊泡通過“異源融合”機制實現(xiàn)精準對接，最終協(xié)同完成投遞。這一發(fā)現(xiàn)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(xié)同推進，從而保障了細胞內(nèi)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(huán)囊泡（cycling vesicles, CV）轉(zhuǎn)移到細胞皮層。同時，纖維素合酶復合體（CSCs）在高爾基體內(nèi)組裝，并通過分泌囊泡（secretory vesicles，SV）輸送到皮層。在皮層區(qū)域內(nèi)，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(chuàng)新：構(gòu)建活細胞內(nèi)蛋白互作的實時追蹤體系

為在活細胞中解析這一動態(tài)過程，研究團隊構(gòu)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(tǒng)：采用雙sCMOS相機同步成像，實現(xiàn)對高速運動胞內(nèi)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(zhuǎn)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(tài)；
• 多維信號解析：通過運動軌跡與Z軸步進分析，有效區(qū)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(nèi)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(jīng)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(fā)掘。研究結(jié)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(jù)。未來通過精準調(diào)控囊泡運輸效率，可優(yōu)化工業(yè)菌種與底盤細胞，顯著提升生物制造能力，賦能國家新質(zhì)生產(chǎn)力戰(zhàn)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(nóng)業(yè)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