植物ESCRT复合体的功能研究进展 植物学报    2022, 57 (5): 697-712.   DOI: 10.11983/CBB22038

图4 不同物种中ESCRT-III组分蛋白(VPS2 (A)、VPS20 (B)、VPS24 (C)和SNF7 (D))间的氨基酸序列比对
横线区域分别表示保守的CC结构域和SNF7结构域。

正文中引用本图/表的段落

在酵母和动物细胞中, ESCRT-III由4个亚基组成, 即VPS2p/CHMP2 (charged multivesicular body protein 2)、VPS20p/CHMP6、VPS24p/CHMP3和SNF7p (sucrose non-fermenting 7)/CHMP4。此外, 还包括Did2 (Doa4-independent degradation2)/CHMP1、VPS60/CHMP5和IST1 (increased salt tolerance 1) 3个辅助蛋白(Teis et al., 2008)。在内吞途径中, ESCRT-III组分蛋白VPS20首先与ESCRT-II组分蛋白VPS25互作而激活ESCRT-III, 同时SNF7多聚体被VPS20招募到MVB/PVC膜上组装ESCRT-III, 并进一步招募VPS2和VPS24等蛋白到MVB/PVC膜形成成熟的ESCRT-III复合体, 从而介导膜的凹陷和剪切形成ILVs。Did2/CHMP1、VPS60/CHMP5和IST1三个辅助蛋白则通过激活VPS4/SKD1-LIP5复合体活性参与调节ESCRT-III与VPS4/SKD1-LIP5复合体结合的强弱、ESCRT-III从MVB/PVC膜上的解离及解聚过程, 以此调控ESCRT-III组分蛋白的循环利用和MVB/PVC的成熟(Henne et al., 2011)。拟南芥中的ESCRT-III具有高度保守性, 对应的同源蛋白均含有多个亚基, 包括VPS2.1、VPS2.2和VPS2.3, VPS20.1和VPS20.2, SNF7A和SNF7B, VPS24-1和VPS24-2 (Gao et al., 2017)以及能够与SNF7发生互作的ALIX (图4A-D)。通过酵母双杂交筛选, 发现ESCRT-III组分蛋白VPS2.1和VPS24.1均可与去泛素化酶AMSH3 (associated molecular with SH3 domain of STAM 3)互作(Katsiarimpa et al., 2011), 它们之间的互作分别依赖AMSH3的MIT (microtubule interacting and transport)结构域和ESCRT-III的MIM1 (microtubule interacting and transport (MIT)-interacting motif1)结构域。亚细胞定位研究显示, AMSH3与ESCRT-III组分蛋白共定位于E类晚期胞内吞小体(class E compartments)中, AMSH3的DUB (deubiquitinating enzyme)结构域缺失会导致ESCRT-III亚细胞定位错乱, 因此AMSH3对ESCRT-III正确的亚细胞定位具有重要作用(Katsiarimpa et al., 2011)。AMSH3定位到晚期内吞体则受到其互作蛋白ALIX的调控, ALIX基因缺失突变不仅会导致植株胚死亡, MVB/PVC和液泡形态异常, 而且会使AMSH3定位到晚期内吞体的能力消失(Kalinowska et al., 2015)。由此可见, AMSH3与ESCRT-III的协同作用依赖ALIX的功能。对AMSH3基因功能的进一步研究显示, 缺失AMSH3基因也会引起类似alix突变体的表型, 并进一步表现出泛素化蛋白和自噬体异常积累等表型(Isono et al., 2010)。此外, 对vps2.1突变体的研究发现, 突变体植株表现出胚死亡, 具有类似于chmp1a/chmp1b双突变体的表型(Spitzer et al., 2009; Katsiarimpa et al., 2011), 因此ESCRT-III复合体组分蛋白的缺失均可导致植物发育受阻而死亡。近期研究发现, 另一个去泛素化酶AMSH1也可识别并结合VPS2.1, 参与调节货物蛋白的去泛素化过程。过表达VPS2.1或缺失AMSH1基因均会导致植物出现矮化和早衰表型, 并表现出PIN2异常积累于液泡膜及其内吞降解过程受到强烈抑制, 自噬体标记物ATG8e异常积累以及自噬途径受阻等现象(Katsiarimpa et al., 2011, 2013; Schwihla and Korbei, 2020), 表明VPS2.1和2个去泛素化酶AMSH3与AMSH1在植物生长及物质循环利用过程中起重要作用。在拟南芥悬浮细胞中, 过表达活性缺失形式的vps24.1-1-152会导致MVB/PVC内腔中ILV数量显著减少, MVB/PVC形态异常(Cai et al., 2014), 同时导致生长素生物合成关键酶YUC1黄素单氧合酶(YUC1 flavin monooxygenase)无法正常进入液泡降解(Ge et al., 2019)。进一步研究发现, ESCRT-III辅助蛋白CHMP1可与VPS4/SKD1结合, 调节MVB/ PVC的形成及ESCRT-III复合体的解聚。chmp1a/ chmp1b双突变体植株中, 生长素转运载体蛋白PIN1、PIN2和AUX1在细胞膜上积累, 无法正常内吞降解, 依赖于自噬途径降解的质体(plastid)蛋白大量积累于细胞质; 并表现出胚胎或早期幼苗致死表型(Spitzer et al., 2009, 2015)。因此, ESCRT-III组分蛋白对植物是否能够存活具有重要作用; 同时, ESCRT- III组分蛋白的缺失会导致自噬体积累, 进而使依赖于自噬体途径降解的蛋白异常积累。但截至目前, 人们对ESCRT-III和自噬体协同作用的调控因子仍知之甚少, 有待进一步探究。

本文的其它图/表

• 表1 内体蛋白分选转运装置(ESCRT)组分蛋白及其功能
  
• 图1 拟南芥中内体蛋白分选转运装置(ESCRT)的作用机制及泛素化的膜蛋白内吞过程
  胞外蛋白和营养物质及新合成的蛋白分别通过蛋白内吞和分泌途径进入反面高尔基体(TGN)。经泛素化修饰的膜蛋白被ESCRT复合物识别, 并以依赖ESCRT的作用机制通过内腔泡(ILVs)进入MVB/PVC内腔, MVB/PVC与液泡融合, 最终使货物蛋白进入液泡中降解, 与此同时ESCRT-III复合体在VPS4/SKD1 ATP水解酶的作用下解离, 进入下一个循环。PM: 质膜; MVB/PVC: 多囊泡体/液泡前体
  
• 图2 类TOM1 (TOL)家族蛋白与动物及酵母ESCRT-0组分蛋白的氨基酸序列比对
  横线标注区域分别表示VHS和GAT结构域。
  
• 图3 不同物种中ESCRT-I组分蛋白(VPS23 (A)、VPS28 (B)和VPS37 (C))间的氨基酸序列比对
  横线区域表示UEV结构域, 虚线框中表示氨基酸保守区域。