囊泡运输的类型和功能
研究推测，承担细胞内物质定向运输的囊泡至少有10种，它们之间的区别在于蛋白质外壳的构成、电子显微镜下的外观以及在细胞运输中的作用。目前研究得较多的三种包被囊泡是网格蛋白有被囊泡（clathrin-coated vesicle）和COPⅡ有被囊泡（COPⅡ-coated vesicle）、COPⅠ有被囊泡（COPⅠ-coated vesicle）（图7-6）。
图7-6 细胞合成-分泌与内吞途径中三种主要的囊泡运输方式示意图
网格蛋白是由高尔基复合体中的小泡或由细胞膜受体介导的内吞作用产生的。高尔基复合体产生的网格蛋白有被囊泡，可将物质从高尔基复合体反面膜囊（TGN）运输到核内体、溶酶体和植物液泡中。而通过细胞内吞作用形成的网格蛋白有被囊泡，是将外来物质运输到细胞质中或从胞内体运输到溶酶体的囊泡中。网格蛋白有被囊泡直径一般在50～100 nm之间，该类囊泡的结构特点有两个：一个是它的外被是网格蛋白纤维构成的网架结构，它也因此得名；另一个是网格蛋白结构外框与囊膜之间约20 nm的间隙被大量的衔接蛋白填充。衔接蛋白一方面形成相对于网格蛋白框架的囊泡内壳结构，另一方面介导网格蛋白与囊膜穿膜蛋白受体的连接，从而形成并维持“网格蛋白-囊泡”整体结构系统。目前已经发现的衔接蛋白有AP1、AP2、AP3和AP4四种，它们通过与不同的受体-转运分子复合物选择性地结合，从而转运不同的物质，形成特定的转运囊泡。这种复杂的相互作用也会导致输送的物质集中到网格有被囊泡中。
网格蛋白有被囊泡的形成是一个非常复杂的过程。除网格蛋白和接合蛋白外，发动蛋白（dynamin）在囊泡形成中也起着重要作用。发动蛋白是细胞质中能够结合和水解GTP的一种特殊蛋白，由900个氨基酸残基组成。当膜上的囊泡芽生形成时，发动蛋白在芽柄周围聚集成一个环。随着发动蛋白对GTP的水解，发动蛋白环向中心收缩，使茎部膜尽可能接近（小于1.5 nm），直致膜融合，网格蛋白有被小泡收缩，直至囊泡脱落。因此，发动蛋白也被称为缢断蛋白。一旦囊泡芽形成，网格蛋白立即被移除，成为无被转运小泡，开始转运过程。发动蛋白的突变可能导致细胞内不能产生网格蛋白有被囊泡，只产生与膜连接的长颈部结合发动蛋白的芽体。然而，COPⅡ和COPⅠ有被囊泡的收缩没有发现发动蛋白的参与。
COPⅡ有被囊泡由粗面内质网产生，属于非网格蛋白有被囊泡类型。有研究人员利用酵母细胞突变体进行研究，发现COPⅡ包被由四种蛋白组分形成，四种蛋白组分别是：小分子GTP结合蛋白Sar 1、Sec 23/Sec 24复合物、Sec 13/Sec 31复合物、大的纤维蛋白Sec 16。COPⅡ有被囊泡是通过胞质可溶性COPⅡ包被蛋白在供体膜（ER膜）出芽时聚合形成的。包被装配的聚合过程受小G蛋白Sar 1的调控，通过GDP-Sar 1/GTP-Sar 1的转换，起到分子开关调控作用。
COPⅡ有被囊泡的形成过程（图7-7）有以下几步。①细胞中可溶性Sar 1-GDP与ER膜蛋白Sar 12（鸟苷酸交换因子）相互作用，催化GDP脱落换为GTP，形成Sar 1-GTP。GTP的结合引发Sar 1构象改变，暴露出疏水N端，并插入ER膜。膜结合的Sar 1对包被蛋白的进一步装配起到了募集作用。Sar 1与膜的结合提供了随后Sec 23/Sec 24复合物的结合位点，从而在ER膜出芽区形成Sar 1-GTP/Sec 23/Sec 24复合物。②Sec 13/Sec 31复合物与Sar 1-GTP/Sec 23/Sec 24复合物结合。因为纯化的Sec 13和Sec 31蛋白具有自主组装、形成网格结构的特点，因而能起到COPⅡ包被蛋白骨架的作用。③大的纤维蛋白Sec 16结合在ER膜的胞质表面，一方面与已装配的复合物相互作用，另一方面组织其他包被蛋白的结合，从而增加包被蛋白的聚合效率。当包被组装完成以后，Sec 23亚基促进GTP被Sar 1水解，Sar 1-GDP从膜泡上释放，引发包被蛋白发生去装配，导致囊泡脱去衣被成为无被转运小泡。
COPⅡ有被囊泡介导细胞内顺向运输（anterograde transport），即负责从内质网到高尔基复合体的物质运输，将物质从内质网“向前”运输到内质网-高尔基复合体的中间体和高尔基复合体。实验证明，应用COPⅡ囊泡外被蛋白的抗体能够有效阻止ER膜小泡的出芽。有人采用绿色荧光蛋白标记示踪技术观察COPⅡ有被囊泡的转运途径，发现当COPⅡ囊泡在ER上生成之后，在向高尔基复合体的转移途中，经常数个囊泡彼此融合，形成内质网-高尔基体复合中间体，然后再沿微管系统继续运行，最终到达高尔基复合体顺面（形成面）。COPⅡ囊泡物质运输具有选择性，因为COPⅡ蛋白能识别与内质网跨膜蛋白受体细胞质侧结合的信号序列，而内质网穿膜蛋白受体网腔侧的一端又与ER网腔中的可溶性蛋白结合。因此，COPⅡ蛋白在囊泡的选择性运输中起着重要作用。
COPⅠ有被囊泡最早在高尔基复合体中被发现，也属于非网格蛋白有被囊泡类型，主要负责内质网逃逸蛋白的捕获、回收和转运，以及蛋白质在高尔基复合体膜中的反向转运。COPⅠ有被囊泡介导细胞内膜逆向运输（retrograde transport），负责从高尔基复合反面膜囊到高尔基体顺面膜囊以及从高尔基顺面网状区到内质网的转运，是内质网回收错误分选逃逸蛋白的重要途径。经分析发现，COPⅠ有被囊泡含有7种不同的蛋白质亚基和1种调节膜泡转运的GDP结合蛋白ARF。ARF和Sar 1一样，也是一种结合GDP/GTP转换的分子开关调控蛋白。
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图7-7 COPⅡ有被囊泡的形成及物质运输示意图
COPⅠ有被囊泡的形成过程有如下几步。①游离于细胞质中的非活化状态ARF蛋白与GDP解离并与GTP结合，形成GTP-ARF复合体。②GTP-ARF复合体作用于高尔基复合体膜上的ARF受体。③COPⅠ蛋白亚基聚合，同ARF一起与高尔基复合体膜囊表面其他相关蛋白结合，诱导转运囊泡芽生。一旦CopⅠ有被囊泡从高尔基复合体顺面膜囊生成并断离，COPⅠ外被蛋白即可解离。体外实验证明，GDP的存在是COPⅠ外被蛋白发生聚合与解离的必要条件。
COPⅠ有被囊泡负责内质网逃逸蛋白的捕捉、回收和转运，并在高尔基复合体中负责蛋白质的反向转运。那么是什么决定了蛋白质是回收进入内质网还是进入高尔基复合体呢？研究发现，内质网腔内和膜内的正常驻留蛋白在C端都含有一系列的回收信号，如果它们被意外地包装进转运囊泡，并从内质网逃逸到高尔基复合体，高尔基复合体的膜结合受体蛋白将识别并结合这些逃逸蛋白的回收信号，形成COPⅠ囊泡并将其回收到内质网。内质网腔中的可溶性蛋白，如蛋白二硫异构酶和折叠辅助分子伴侣，具有KDEL回收信号。如果一个内质网蛋白缺乏KDEL序列，该蛋白就不能返回内质网，而是通过运输囊泡被运送到质膜。已有研究表明，如果通过基因重组使表达的溶酶体蛋白或分泌蛋白在C端附加了KDEL序列，这种蛋白将返回到内质网，而不是被转运到溶酶体或分泌泡。内质网膜蛋白如SRP受体在C端有不同的回收信号，通常是KKXX（K代表赖氨酸，X代表任意氨基酸识别），识别并结合该信号的受体是包被蛋白的COPⅠα亚基和β亚基，作用是促进它们返回内质网。
在内质网膜上整合蛋白v-SNARE（供体膜受体蛋白）和其他被转运蛋白是通过与包被蛋白的相互作用，包装到转运膜泡的。可溶性转运蛋白通过与出芽膜泡上相应受体的结合而被募集，包被囊泡脱去包被复合物，包被蛋白就可以再循环利用，而v-SNARE暴露在小泡膜表面。膜泡脱去包被后，在小分子GDP结合蛋白Sar1蛋白参与下，脱包被的膜泡留在高尔基复合体顺面膜囊，暴露的内质网膜蛋白v-SNARE与高尔基复合体顺面膜囊上同类蛋白t-SNARE配对，介导膜泡与靶膜融合，内含物释放进入高尔基复合体顺面膜囊。内质网腔中的蛋白在出芽过程中可以被动掺入COPⅡ有被囊泡并转运到高尔基复合体。许多这类蛋白带有C端KDEL序列。KDEL的受体主要定位在高尔基复合体TGN区、COPⅡ和COPⅠ包被囊泡的膜上，它们能识别并结合KDEL分选信号，帮助这些蛋白质从内质网释放。如果内质网发生错误包装和转运，COPⅠ膜泡上也有KDEL受体，所以能保证逃逸蛋白被内质网回收。这种由回收信号介导的回收机制有助于防止内质网管腔蛋白（新合成的分泌蛋白适当折叠所需的伴侣蛋白）的丢失。在生物合成途径中，每个膜组分可能都有其独特的回收信号，因此即使运输囊泡在特定的空间中不断移动，每个细胞器也能保持其独特的蛋白质组成。
囊泡运输是一个非常复杂的过程。有研究人员在酵母基因组中发现了超过25个与膜泡运输有关的基因。
囊泡运输的关键步骤包括以下三步：①供体膜出芽、组装和断裂，形成不同的包膜转运膜泡。②由马达蛋白驱动，将膜泡转运到特定的区域。③转运囊泡与特定靶膜的锚定和融合。NSF、SNAP和SNARE在运输囊泡上与目标膜配对融合，融合过程具有特异性。已知一种小G蛋白Rab蛋白（靶向GTPase）参与了囊泡靶向运输的过程。与Sar 1和ARF蛋白一样，Rab蛋白属于小G蛋白，起分子开关的作用。目前已知的Rab蛋白有30多种，不同的膜上有不同的Rab蛋白。Rab蛋白与靶膜效应蛋白结合，协助v-SNARE和t-SNARE的结合，从而促进和调节运输小泡的锚定和融合。Rab蛋白也有一些效应因子，帮助运输囊泡聚集和接近目标膜，触发SNAREs释放其抑制剂。
在特异性鸟苷酸交换因子（GEF）的催化作用下，胞质中的Rab-GDP转换为Rab-GTP，引发Rab蛋白构象改变，进一步使其与特定转运囊泡的表面蛋白相互作用插入转运囊泡内，同时与靶膜上称作Rab效应器的结合蛋白相互作用，使转运囊泡被锚定在合适的靶膜上发生囊泡融合，接着Rab-GTP被水解成Rab-GDP，Rab-GDP释放，进行转换、结合与水解的下一个周期。转运囊泡的形成、运输及其与靶膜的融合需要耗能，具有特异性，涉及多种蛋白间识别、组装、去组装的复杂调控，囊泡与靶膜的选择性融合是保证细胞内定向膜流的重要因素之一。小泡特异性锚定和融合被认为是通过运输小泡膜上的特异性的v-SNARE和靶膜上的t-SNARE蛋白特异的相互作用完成的。SNARE蛋白是一个蛋白家族，在动物细胞中已发现至少20种。有研究人员从神经细胞中分离出了参与特异性囊泡锚定和融合的蛋白组分，例如，神经元突触前膜含有一种突触融合蛋白，能与突触小泡膜上的蛋白VAMP特异性结合，这两种蛋白的相互作用可介导膜的融合和神经递质的释放。
不同来源、不同类型的囊泡承载和介导不同物质的定向运输，它们必须遵循正确的路径，以特定的方式操作，使每个物质到达特定目标的锚点，并通过膜的融合释放载体物质。一般认为，如果囊泡在较短的距离内运输，它们主要以简单弥散的模式运行，例如，从内质网到高尔基复合体的囊泡运输就是这样进行的。当运输距离较长时，囊泡运动由类似于骨骼肌纤维的运动蛋白辅助，例如，在长神经细胞中，源于高尔基复合体的囊泡向细胞轴突远（末）端的转移就是如此。
囊泡运输不仅是一种简单的物质运输，而且是一种严格的质量检验、改造和加工过程。例如，进入内质网的蛋白质被决定去留的方向，而那些外输性的蛋白质通常要经过修饰、加工和质量检查，才能以囊泡的形式运输到高尔基复合体。有时一些内质网驻留蛋白或不合格的外输蛋白可能从内质网逃逸，但进入高尔基复合体后仍被COPⅠ囊泡识别、捕获并遣返。囊泡运输实际上是一个高度有序、严格控制的物质运输过程，无论其来源、类型和途径形式如何。
囊泡运输极其复杂。细胞膜和内质网是囊泡转运的主要发源地，高尔基复合体是囊泡运输的中心。内质网产生的转运囊泡溶入高尔基复合体，并成为高尔基复合体形成膜的一部分。高尔基复合体成熟面不断产生和分化的各种分泌囊泡，要么直接运输到细胞膜上，要么进入溶酶体，最终流入并整合到细胞膜上。从细胞膜运输出来的囊泡以胞内体或吞噬体的形式与溶酶体融合转化。由此可见，不断地产生、形成、存在和穿梭于质膜及内膜系统结构之间的囊泡转运，从一种细胞器膜到另一种细胞器膜，形成一种有序的流动和稳定的膜流，并以此进行细胞膜和内膜系统不同功能结构的相互转化和代谢更新。