結構生物化學/膜蛋白在融合和裂變中的應力

膜融合

膜融合被定義為兩個分離的膜透過一系列中間轉變過程統一成一個連續膜的過程。在該過程的開始，只有膜的接觸單層會合併成一個，而遠端的膜會保持分離。因此，融合柄，即脂質橋，連線了兩個單層膜，並導致了融合的第一階段，即半融合。最終，這個融合柄將允許遠端單層膜之間的統一。這種統一將導致形成融合孔，該融合孔將合併分離的遠端單層膜。結果，這將是單層膜之間統一的最後一步。

膜裂變

膜裂變發生在膜分離成兩個分離的膜時。這個過程發生在膜頸部。因此，裂變發生在膜頸部的內單層之間發生自合併時。這一步導致形成裂變柄。裂變過程將在外單層之間發生自統一時結束。

BAR 蛋白

細胞膜具有執行非常重要的功能的能力，如運動和受體更新。細胞需要感知環境的變化並將訊號跨膜轉運。為了做到這一點，細胞需要以相當高的空間和時間精度重構其膜的形狀，因為這取決於細胞過程 - 如細胞分裂、內吞作用和細胞遷移。因此，膜具有重塑細胞整體形狀的能力。為了實現這一點，需要膜彎曲蛋白，並且仔細檢查了膜曲率。曲率的符號，或者有時稱為方向，被認為是一個任意量度。從胞質溶膠來看，等離子膜內陷主要包含具有正曲率的片段。相反，突起由具有負曲率的膜組成。膜曲率在研究膜融合和裂變中至關重要，這包括分析膜蛋白的活性，以及蛋白質與膜-胞質溶膠介面的位置的統一。膜曲率不是細胞膜的被動特徵；相反，由於它對膜融合和裂變的各種過程的積極影響，它已經成為一種受調節的狀態。

這種膜蛋白的例子包括 Bin/amphiphysin/Rvs (BAR) 結構域，這是主要的膜彎曲蛋白超家族之一。BAR 結構域在其一級結構中缺乏特徵性簽名的序列基序，因此無法完全識別。然而，在結構水平上，BAR 結構域是相當保守的，包含一個三螺旋捲曲核心，該核心形成彎曲的同二聚體或異二聚體。這使得整體呈現“香蕉形狀”。

同二聚體或異二聚體的形成在 BAR 結構域中仍然是一個謎。然而，研究表明，二聚化介面的錯誤會導致 BAR 蛋白在重塑方面的功能障礙。非功能性是由於 BAR 結構域與帶負電荷的脂質頭部基團（如磷脂醯肌醇）的適當相互作用而發生的，這需要在香蕉形二聚體中特定位點的帶正電荷殘基的特定定位。

大多數 BAR 蛋白包含額外的結構域，例如 src 同源性 3 (SH3) 結構域，它允許 BAR 蛋白與富含脯氨酸結構域的蛋白質進行交流。因此，BAR 結構域蛋白是一種支架蛋白，可以將一系列蛋白質系統化為“曲率依賴性”形式。BAR 蛋白的三種通用類別是經典 BAR 結構域、IMD/反向 BAR 結構域和 FCH 結構域 (F-BAR)。經典 BAR 結構域通常存在於 arfaptin 中，幷包含最高級別的固有曲率。它擴充套件到更小的分支，具體取決於額外的膜結合結構域，例如兩親 N 端螺旋或 phox 結構域。已知所有經典 BAR 結構域都提供並促進正膜曲率。

F-BAR 結構域的一個例子是與 Cdc42 相互作用的蛋白 4。這種型別的蛋白質結構域代表著最大和最多樣的結構域。它進一步細分為六個子類別。此外，這種特定蛋白質結構域的固有曲率範圍從高到幾乎是平面的。因此，這類蛋白質可以支援各種膜曲率。IMD/反向 BAR 結構域包含負曲率，並象徵著細胞產生突起的機制。與 IMD/反向 BAR 結構域類似的蛋白質結構域是 PinkBAR 結構域，它不包含固有曲率。PinkBAR 結構域缺乏固有曲率有助於在平坦的膜表面形成支架。Bar 蛋白在膜支架、細胞器建立、生物體模式和疾病中發揮著重要作用。與 BAR 結構域相關的大多數功能都歸結為所有 BAR 結構域的固有彎曲二聚體。BAR 結構域二聚體的形狀與其曲率相關，這本質上描述了其彎曲膜的能力。

BAR 結構域膜彎曲的分子機制源於二聚體的固有曲率。Bar 結構域二聚體透過將其形狀強加於膜基質來促進膜彎曲，這一過程被稱為“支架”機制。另一種膜彎曲機制包括將兩親楔子（可以感知膜曲率）引入雙層。這些楔子也可以透過協調取代其存在位置附近的小葉中的脂質來促進形成。此外，底物選擇可能會導致實驗偏差；BAR 結構域的雙層組成和預先存在的曲率決定了 BAR 結構域招募和重塑的可能性。已知一些具有兩親楔子的 BAR 蛋白在膜裂變中起著重要作用。此外，膜彎曲和裂變是反相關的。

BAR 結構域參與雙層和招募特定相互作用夥伴的特性需要進入並控制其靶標。研究表明，BAR 蛋白在體外對具有特定曲率的膜表現出傾向，這種膜偏好對應於 BAR 結構域的固有曲率。此外，兩親序列檢測並結合脂質頭部基團區域曲率應力造成堆積缺陷的位置。缺陷的數量與曲率的程度相關。結果，BAR 結構域蛋白感知缺陷的能力是一種控制對各種曲率膜的差異結合的方法。

儘管在獲得對膜轉運和訊號傳導的理解方面取得了進展，但關於細胞如何重塑其膜的研究提供了關於膜雙層結構和功能特徵的資訊。然而，膜彎曲結構域如何處理和穩定膜曲率以及這些事件如何協調的分子機制仍然難以捉摸。一方面，膜雙層的結構複雜性不斷受到影響，使其易於重建和招募特定的膜重塑劑。另一方面，缺乏標準化方法來研究膜重塑，以及用於在計算上檢查細胞膜中普遍存在的複雜脂質混合物的工具。

膜融合和膜裂變的相似性

膜融合和膜裂變的一個共同特徵是膜柄的形成。在融合過程中，會形成融合柄，它是單層膜之間的合併。在裂變過程中，也會形成裂變柄，它是膜頸部內單層的結合。科學家們對融合前的柄狀結構進行了研究。他們認為，這一過程需要將一個脂質分子插入兩個相對的烴膜之間。結果，膜之間會形成脂質橋。

膜融合和膜裂變的差異

一個差異是裂變和融合過程形狀的相反序列。膜融合導致單層膜的結合，而裂變導致膜的分離。因此，裂變使分離的膜具有更大的曲率和更強的彎曲。然而，融合導致更小的曲率，這使膜的彎曲得以放鬆。總之，膜彎曲有利於膜裂變，而膜融合會導致膜伸直。第二個差異是膜融合和膜裂變之間的自連線性。由於裂變發生在連續膜分離時，這將導致每個分離膜的面積有限。然而，膜的結合，即融合，將增加整個膜的面積。因此，裂變不受自連線性的青睞，而融合則受導致膜合併的力的支援。

膜重塑

蛋白質是產生單層膜之間合併或單層膜分離的力。因此，膜重塑是脂質雙層的重建，它由膜蛋白決定。膜重塑有兩個物理要求。首先，重塑開始前的自由能必須高於重塑後的能量。這意味著必須釋放能量才能使膜重建。在這種情況下，我們使用“自由能放鬆”一詞來概括第一個要求。其次，中間能量必須足夠低，才能被熱波動克服。膜重塑的過程由蛋白質決定。這些蛋白質為這個自發反應提供自由能。因此，蛋白質可以改變脂質雙層的物理結構和單層膜的脂質組成。這些物理變化將導致膜重塑。

自由能 - 彈效能

膜重塑中使用的自由能稱為彈效能。彈效能是由膜的三種不同形式產生的。它們是膜彎曲、拉伸和脂鏈傾斜。首先，膜彎曲由膜表面的曲率決定。膜的彎曲，即曲率，是膜的形狀。在數學上，曲率由弧面的兩個半徑 R₁ 和 R₂ 定義。我們使用反半徑方程 c₁= 1/R₁ 和 c₂ = 1/R₂ 來計算曲率的總和和乘積。結果，這些值將決定脂質雙層的形狀。曲率的總和和乘積分別稱為總曲率和高斯曲率。它們都需要自由能 (F) 來產生膜重塑。曲率之和具有 F_B，即總曲率的自由能。該值基於膜形狀。它會發生變化，因為從膜重塑開始到融合或裂變過程結束，存在多個階段。因此，裂變會導致該自由能增加，而裂變會導致自由能 F_B 減少。其次，膜拉伸取決於融合孔。當融合發生時，這個融合孔將允許表面膜面積增加。最後，膜傾斜取決於當形成融合柄或裂變柄時脂質烴鏈的合併。

透過彎曲產生融合

一般來說，蛋白質 - 曲率透過識別膜頂部的脂質雙層區域來產生融合。然後蛋白質將膜彎曲成圓柱形。蛋白質選擇膜頂部的區域，因為當融合反應發生時，會發生“彈效能放鬆”。因此，這種融合反應發生有兩個要求。首先，脂質雙層區域必須位於融合發生的外側區域。如果它不在外側區域，則會穩定曲率，並在反應結束時沒有釋放自由能時導致非自發反應。其次，曲率必須足夠大才能產生融合反應。有兩種機制是這種融合反應的例子。第一種機制稱為疏水插入或楔入機制。這種反應需要將疏水蛋白插入脂質雙層鏈中。因此，將進行擴充套件單層膜極性頭的過程。結果，蛋白質將聚集並與 SNARE 複合體相互作用。然後，疏水蛋白內部的 Ca²⁺ 將被插入脂質基質中，這將導致脂質區域彎曲。結果，膜的形狀會發生變化，使其可以是圓柱形或圓錐形帶，其末端具有無蛋白端蓋。最後，當它們在彎曲過程中釋放自由能時，融合反應將發生在這些膜末端。第二種機制稱為力傳遞。在這裡，SNARE 複合體具有突觸蛋白和突觸小泡蛋白，它們是允許融合反應發生的因素。SNARE 複合體將從脂質雙層鏈的 N 端開始，以拉鍊的方式合併單層。結果，它將形成穩定的四螺旋束，稱為單層膜之間的核心 SNARE 複合體。

透過彎曲產生裂變

蛋白質透過釋放膜頸部的自由能來產生裂變。有兩種機制說明了這種裂變反應。第一種機制稱為支架機制。它需要蛋白質複合體來驅動膜支架。膜支架的一個例子是它在包膜病毒釋放中的作用。結果，支架將導致膜彎曲成圓柱形。這將導致“彈效能放鬆”。第二種機制稱為疏水插入。與融合一樣，裂變中的疏水插入也需要將疏水蛋白插入脂質基質之間。例如，蛋白質 BAR 結構域將導致脂質區域彎曲。結果，膜的形狀會發生變化，然後驅動裂變中的自發反應。

透過膜張力產生膜重塑

脂質雙層膜內部的張力會導致膜重塑反應的發生。這是基於蛋白質支架的過程。支架將在單層之間形成脂質橋，並導致融合的第一個階段，稱為半融合。然後會形成融合孔，它連線遠端單層，並完成重塑過程。

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細胞內的內體擁有幫助分類和轉運細胞包裹體的複合體，這些複合體被稱為 ESCRT。研究發現 ESCRT 在病理學中扮演著重要角色，因為它影響著胞質分裂、病毒包膜出芽和囊泡生物發生。從細胞膜上移除受體並將其傳遞到溶酶體對於控制細胞訊號至關重要。對內體中分類所有細胞包裹體的分子機制進行了深入研究，其結構和基本功能方面取得了重大進展。靶受體被泛素化，並透過細胞介導的內吞作用被送入內體。表皮生長因子受體 (EGFR) 是一個被降解的受體，但其他受體則透過小管回收回膜或內體-高爾基體。被指定用於降解的細胞包裹體被放置在囊泡中，並出芽進入內體腔，這些內體會進入多泡體，然後進一步與溶酶體融合。ESCRT 複合體由 5 個亞基組成，這些亞基被順序性地由分子調節到內體膜上。然而，ESCRT 在內體的組裝機制仍不清楚。ESCRT 蛋白複合體透過直接與磷蛋白 CEP55 相互作用，被送入胞質分裂過程中細胞的中央位置，這是膜裂解的必要條件。

來源：導致 ESCRT-III 催化的膜裂解的不同路徑 Suman Peel1, Pauline Macheboeuf2, Nicolas Martinelli2 和 Winfried Weissenhorn2 1 英國布里斯托爾大學醫學科學學院生物化學系，大學步行街，布里斯托爾 BS8 1TD，英國 2 病毒宿主細胞相互作用 (UVHCI) 單位，UMI 3265 格勒諾布林約瑟夫·傅立葉大學-EMBL-CNRS，法國格勒諾布林朱勒·奧裡維耶街 6 號 38042

參考文獻

Kozlov,Michael. McMahon, Harvey. Chernomordik, Leonid. 蛋白驅動的膜應力在融合和裂解中的作用. PubMed. 12/15/11.

Mim, Carsten; Unger, Vinzenz M. '膜曲率及其由 BAR 蛋白產生的機制'. 生物化學趨勢 doi:10.1016/j.tibs.2012.09.001 (第 37 卷第 12 期第 526-533 頁)。