孙飞研究组与合作者揭示小G蛋白ARF在囊泡分裂中的作用机制

　　

　　2025年3月21日，中国科学院生物物理研究所孙飞课题组与美国哈佛医学院Victor Hsu课题组、韩国浦项科技大学Seung-Yeol Park课题组及香港城市大学范俊课题组联合在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在线发表了题为"Structural elucidation of how ARF small GTPases induce membrane tubulation for vesicle fission"的研究论文。该项工作在分子水平上揭示了ARF（ADP-核糖基化因子）小G蛋白在脂质膜上形成螺旋组装体并驱动膜形成管状结构，进而促进囊泡分裂的分子机制。

　　囊泡运输是细胞内物质运输的重要方式之一，囊泡的形成过程主要包括招募、出芽和分裂三个阶段。在招募阶段，包被蛋白复合物（如 COPI、Clathrin 等）被招募到供体膜上，识别并结合货物分子，膜发生初步变形形成小的凹陷。出芽阶段，膜进一步变形，囊泡逐渐成熟。分裂阶段，囊泡与供体膜分离，最终囊泡完全释放到细胞质中，完成整个过程。这一过程受到细胞内多种因子的动态调控，确保囊泡的正确形成与运输。此前研究已证实，ARF蛋白通过招募包被蛋白（如COPI、COPII复合体）调控囊泡出芽，但其在分裂阶段的作用机制尚不明确，缺乏关键结构信息。

　　研究团队利用冷冻电镜技术和螺旋重构技术，成功捕捉到 ARF6 蛋白在脂质膜表面组装成独特的螺旋晶格结构。ARF6 四聚体是最小的组装单元，其内部主要依靠疏水作用和静电相互作用维持稳定，而四聚体之间则通过电荷相互作用形成稳定的螺旋结构。此外，ARF6 螺旋晶格结构的形成依赖于其 N 端的两亲螺旋插入细胞膜，进而形成管状结构。分子动力学模拟进一步验证了 ARF6 四聚体的组装稳定性，并揭示了其通过 N 端豆蔻酰基链（MYR）和两亲螺旋（AH）的协同作用，实现与脂质膜的稳定结合。研究还发现，靶向 ARF6 晶格结构互作界面以及 N 端两亲螺旋的突变体，可特异性阻断其介导的内吞再循环转运功能，从而验证了互作界面及两亲螺旋在内吞再循环转运中的关键作用。功能实验也显示，ARF6的 GTP 水解，触发颈部断裂，形成小囊泡，进而完成分裂过程。

　　ARF1与ARF6高度同源，同样能诱导脂质膜形成管状结构，这一功能与其在COPI囊泡分裂中的作用直接相关。研究人员通过COPI复合体囊泡重构实验，表明ARF的组装方式是其驱动囊泡分裂的核心机制。当对ARF晶格中蛋白结合界面的关键残基引入突变时，虽然ARF1与包被蛋白复合物（coatomer）的结合未受影响，但囊泡的分裂过程却明显受阻。这一结果印证了此前的研究，即ARF1二聚体对囊泡分裂是必要的，且该二聚体的界面恰好位于螺旋晶格的四聚体界面区域。该项工作不仅阐释了 ARF 蛋白在囊泡分裂过程中的详细分子机制，填补了最后阶段囊泡分裂的关键机制信息缺失，还为未来研究细胞内物质运输的调控提供了新的思路。

图. ARF6 介导囊泡分裂的分子机制：左侧为ARF6膜结合状态螺旋晶格结构,右侧为囊泡形成过程示意图。

　　孙飞课题组长期致力于膜动态生物学研究，系统揭示了多个关键机制：囊泡转运再循环过程中 ACAP1 重塑细胞膜的机理（Developmental Cell 2014），线粒体内膜融合蛋白 OPA1 介导膜重塑的机制（eLife 2020），以及细胞内体运输途径中 SNX1 诱导膜变形的分子机制（PNAS 2021）。本项研究工作是膜动态生物学研究的进一步延续和拓展。

　　中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、美国哈佛大学医学院和布莱根妇女医院Victor Hsu教授、韩国浦项科技大学Seung-Yeol Park教授和香港城市大学范俊教授为本文的共同通讯作者，生物物理所副研究员庞效云、研究员张艳和韩国浦项科技大学Kunyou Park博士为论文的共同第一作者。该项研究得到国家自然科学基金委项目、国家重点研发计划等项目的资助。冷冻电镜数据收集工作得到了中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心的技术支持。

　　文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2417820122

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（供稿：孙飞研究组）

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