囊泡运输(vesicle trafficking)是真核细胞内膜性细胞器之间主要的物质运输方式,既是生命活动的基本过程，又是一个极其复杂的动态过程，涉及到众多蛋白分子和调控因子。包被蛋白(coat proteins)是囊泡运输的关键分子，它可以诱导细胞膜发生变形，并参与货物分子的分选识别从而形成囊泡。经典的包被蛋白主要有三类，即COPI、COPII和 Clathrin。不同于经典的包被蛋白，Sorting nexin类蛋白分子SNXs是内体运输途径中的一类重要包被蛋白。已知SNXs参与MI-CPR （cation- independent mannose 6-phosphate receptor）和Semaphorin 4C等膜蛋白受体的循环运输过程。尽管SNXs蛋白可以使细胞膜变形，但是具体变形分子机制尚不清楚。
图1. SNX1 重塑细胞膜复合体的冷冻电镜三维结构。A，SNX1包被管状结构的冷冻电镜密度图；B，SNX1在细胞膜上的组装模型；C，两性螺旋（绿色显示）与电镜密度相吻合。
孙飞课题组利用冷冻电镜螺旋三维重构技术解析了SNX1 重塑细胞膜复合体的三维结构(图1)。SNX1包含PX结构域和BAR结构域。螺旋结构表明，SNX1二聚体是最小的组装单元，它的凹面覆盖在细胞膜上，组装体的层与层之间主要由BAR结构域之间较短的侧面-侧面相互作用介导，层内主要由BAR结构域与PX结构之间作用介导。研究还发现BAR结构域与PX结构域之间的一段两性螺旋直接参与了细胞膜的重塑，该段两性螺旋的删除明显降低了SNX1与细胞膜的结合，严重影响了细胞膜的变形，提示该段双性螺旋是SNX1执行细胞膜重塑功能的关键因子。另外，研究发现PX结构域的PI3P结合位点对于细胞膜的结合和管状结构的形成也是必要的。
与SNX1晶体结构相比，膜结合状态的SNX1曲率变小了，推测是与细胞膜作用导致构象变化，从而形成延伸的二聚体结构排布在细胞膜上。与来自真菌中的同源Sorting nexin类包被蛋白复合体retromer-vps5相比，SNX1二聚体与Vps5二聚体基本单元非常相似，但在组装方式上有所不同，主要表现在层间或者层内相邻的两个二聚体间的距离。Vps5之间的距离短从而形成更紧密的组装体。
该项研究阐释了SNX1重塑细胞膜变形的分子机理--SNX1主要通过PX结构域和一段双性螺旋与细胞膜结合，通过BAR结构域和PX结构域在细胞膜上形成螺旋组装体。该项研究还提示了Retromer-SNX衣被复合体的组装过程，即SNX1首先结合到细胞膜上，SNX1二聚体的曲率从大变小，形成更延伸的状态，进一步Retromer结合到SNX1上，则形成一个更加紧凑的组装体（如图2）。
图2. SNX1膜结合状态组装体的构象变化模式图
中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、庞效云副研究员、美国哈佛大学医学院和布莱根妇女医院Victor Hsu教授为本文的共同通讯作者，副研究员张艳和庞效云为并列第一作者。该研究得到国家自然科学基金委和NIH基金支持。感谢美国佛吉尼亚大学Edward Egelman教授、生物物理所娄继忠研究员的大力支持和帮助。该工作所有电镜数据收集工作在生物物理所生物成像中心完成。
文章链接：https://www.pnas.org/content/118/10/e2022614118
（供稿：孙飞研究组）
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