结构生物化学/膜蛋白在融合和裂变中的应力

膜融合

膜融合被定义为两个分离的膜通过一系列中间转变过程统一成一个连续膜的过程。在该过程的开始，只有膜的接触单层会合并成一个，而远端的膜会保持分离。因此，融合柄，即脂质桥，连接了两个单层膜，并导致了融合的第一阶段，即半融合。最终，这个融合柄将允许远端单层膜之间的统一。这种统一将导致形成融合孔，该融合孔将合并分离的远端单层膜。结果，这将是单层膜之间统一的最后一步。

膜裂变

膜裂变发生在膜分离成两个分离的膜时。这个过程发生在膜颈部。因此，裂变发生在膜颈部的内单层之间发生自合并时。这一步导致形成裂变柄。裂变过程将在外单层之间发生自统一时结束。

BAR 蛋白

细胞膜具有执行非常重要的功能的能力，如运动和受体更新。细胞需要感知环境的变化并将信号跨膜转运。为了做到这一点，细胞需要以相当高的空间和时间精度重构其膜的形状，因为这取决于细胞过程 - 如细胞分裂、内吞作用和细胞迁移。因此，膜具有重塑细胞整体形状的能力。为了实现这一点，需要膜弯曲蛋白，并且仔细检查了膜曲率。曲率的符号，或者有时称为方向，被认为是一个任意量度。从胞质溶胶来看，等离子膜内陷主要包含具有正曲率的片段。相反，突起由具有负曲率的膜组成。膜曲率在研究膜融合和裂变中至关重要，这包括分析膜蛋白的活性，以及蛋白质与膜-胞质溶胶界面的位置的统一。膜曲率不是细胞膜的被动特征；相反，由于它对膜融合和裂变的各种过程的积极影响，它已经成为一种受调节的状态。

这种膜蛋白的例子包括 Bin/amphiphysin/Rvs (BAR) 结构域，这是主要的膜弯曲蛋白超家族之一。BAR 结构域在其一级结构中缺乏特征性签名的序列基序，因此无法完全识别。然而，在结构水平上，BAR 结构域是相当保守的，包含一个三螺旋卷曲核心，该核心形成弯曲的同二聚体或异二聚体。这使得整体呈现“香蕉形状”。

同二聚体或异二聚体的形成在 BAR 结构域中仍然是一个谜。然而，研究表明，二聚化界面的错误会导致 BAR 蛋白在重塑方面的功能障碍。非功能性是由于 BAR 结构域与带负电荷的脂质头部基团（如磷脂酰肌醇）的适当相互作用而发生的，这需要在香蕉形二聚体中特定位点的带正电荷残基的特定定位。

大多数 BAR 蛋白包含额外的结构域，例如 src 同源性 3 (SH3) 结构域，它允许 BAR 蛋白与富含脯氨酸结构域的蛋白质进行交流。因此，BAR 结构域蛋白是一种支架蛋白，可以将一系列蛋白质系统化为“曲率依赖性”形式。BAR 蛋白的三种通用类别是经典 BAR 结构域、IMD/反向 BAR 结构域和 FCH 结构域 (F-BAR)。经典 BAR 结构域通常存在于 arfaptin 中，并包含最高级别的固有曲率。它扩展到更小的分支，具体取决于额外的膜结合结构域，例如两亲 N 端螺旋或 phox 结构域。已知所有经典 BAR 结构域都提供并促进正膜曲率。

F-BAR 结构域的一个例子是与 Cdc42 相互作用的蛋白 4。这种类型的蛋白质结构域代表着最大和最多样的结构域。它进一步细分为六个子类别。此外，这种特定蛋白质结构域的固有曲率范围从高到几乎是平面的。因此，这类蛋白质可以支持各种膜曲率。IMD/反向 BAR 结构域包含负曲率，并象征着细胞产生突起的机制。与 IMD/反向 BAR 结构域类似的蛋白质结构域是 PinkBAR 结构域，它不包含固有曲率。PinkBAR 结构域缺乏固有曲率有助于在平坦的膜表面形成支架。Bar 蛋白在膜支架、细胞器创建、生物体模式和疾病中发挥着重要作用。与 BAR 结构域相关的大多数功能都归结为所有 BAR 结构域的固有弯曲二聚体。BAR 结构域二聚体的形状与其曲率相关，这本质上描述了其弯曲膜的能力。

BAR 结构域膜弯曲的分子机制源于二聚体的固有曲率。Bar 结构域二聚体通过将其形状强加于膜基质来促进膜弯曲，这一过程被称为“支架”机制。另一种膜弯曲机制包括将两亲楔子（可以感知膜曲率）引入双层。这些楔子也可以通过协调取代其存在位置附近的小叶中的脂质来促进形成。此外，底物选择可能会导致实验偏差；BAR 结构域的双层组成和预先存在的曲率决定了 BAR 结构域招募和重塑的可能性。已知一些具有两亲楔子的 BAR 蛋白在膜裂变中起着重要作用。此外，膜弯曲和裂变是反相关的。

BAR 结构域参与双层和招募特定相互作用伙伴的特性需要进入并控制其靶标。研究表明，BAR 蛋白在体外对具有特定曲率的膜表现出倾向，这种膜偏好对应于 BAR 结构域的固有曲率。此外，两亲序列检测并结合脂质头部基团区域曲率应力造成堆积缺陷的位置。缺陷的数量与曲率的程度相关。结果，BAR 结构域蛋白感知缺陷的能力是一种控制对各种曲率膜的差异结合的方法。

尽管在获得对膜转运和信号传导的理解方面取得了进展，但关于细胞如何重塑其膜的研究提供了关于膜双层结构和功能特征的信息。然而，膜弯曲结构域如何处理和稳定膜曲率以及这些事件如何协调的分子机制仍然难以捉摸。一方面，膜双层的结构复杂性不断受到影响，使其易于重建和招募特定的膜重塑剂。另一方面，缺乏标准化方法来研究膜重塑，以及用于在计算上检查细胞膜中普遍存在的复杂脂质混合物的工具。

膜融合和膜裂变的相似性

膜融合和膜裂变的一个共同特征是膜柄的形成。在融合过程中，会形成融合柄，它是单层膜之间的合并。在裂变过程中，也会形成裂变柄，它是膜颈部内单层的结合。科学家们对融合前的柄状结构进行了研究。他们认为，这一过程需要将一个脂质分子插入两个相对的烃膜之间。结果，膜之间会形成脂质桥。

膜融合和膜裂变的差异

一个差异是裂变和融合过程形状的相反序列。膜融合导致单层膜的结合，而裂变导致膜的分离。因此，裂变使分离的膜具有更大的曲率和更强的弯曲。然而，融合导致更小的曲率，这使膜的弯曲得以放松。总之，膜弯曲有利于膜裂变，而膜融合会导致膜伸直。第二个差异是膜融合和膜裂变之间的自连接性。由于裂变发生在连续膜分离时，这将导致每个分离膜的面积有限。然而，膜的结合，即融合，将增加整个膜的面积。因此，裂变不受自连接性的青睐，而融合则受导致膜合并的力的支持。

膜重塑

蛋白质是产生单层膜之间合并或单层膜分离的力。因此，膜重塑是脂质双层的重建，它由膜蛋白决定。膜重塑有两个物理要求。首先，重塑开始前的自由能必须高于重塑后的能量。这意味着必须释放能量才能使膜重建。在这种情况下，我们使用“自由能放松”一词来概括第一个要求。其次，中间能量必须足够低，才能被热波动克服。膜重塑的过程由蛋白质决定。这些蛋白质为这个自发反应提供自由能。因此，蛋白质可以改变脂质双层的物理结构和单层膜的脂质组成。这些物理变化将导致膜重塑。

自由能 - 弹性能

膜重塑中使用的自由能称为弹性能。弹性能是由膜的三种不同形式产生的。它们是膜弯曲、拉伸和脂链倾斜。首先，膜弯曲由膜表面的曲率决定。膜的弯曲，即曲率，是膜的形状。在数学上，曲率由弧面的两个半径 R₁ 和 R₂ 定义。我们使用反半径方程 c₁= 1/R₁ 和 c₂ = 1/R₂ 来计算曲率的总和和乘积。结果，这些值将决定脂质双层的形状。曲率的总和和乘积分别称为总曲率和高斯曲率。它们都需要自由能 (F) 来产生膜重塑。曲率之和具有 F_B，即总曲率的自由能。该值基于膜形状。它会发生变化，因为从膜重塑开始到融合或裂变过程结束，存在多个阶段。因此，裂变会导致该自由能增加，而裂变会导致自由能 F_B 减少。其次，膜拉伸取决于融合孔。当融合发生时，这个融合孔将允许表面膜面积增加。最后，膜倾斜取决于当形成融合柄或裂变柄时脂质烃链的合并。

通过弯曲产生融合

一般来说，蛋白质 - 曲率通过识别膜顶部的脂质双层区域来产生融合。然后蛋白质将膜弯曲成圆柱形。蛋白质选择膜顶部的区域，因为当融合反应发生时，会发生“弹性能放松”。因此，这种融合反应发生有两个要求。首先，脂质双层区域必须位于融合发生的外侧区域。如果它不在外侧区域，则会稳定曲率，并在反应结束时没有释放自由能时导致非自发反应。其次，曲率必须足够大才能产生融合反应。有两种机制是这种融合反应的例子。第一种机制称为疏水插入或楔入机制。这种反应需要将疏水蛋白插入脂质双层链中。因此，将进行扩展单层膜极性头的过程。结果，蛋白质将聚集并与 SNARE 复合体相互作用。然后，疏水蛋白内部的 Ca²⁺ 将被插入脂质基质中，这将导致脂质区域弯曲。结果，膜的形状会发生变化，使其可以是圆柱形或圆锥形带，其末端具有无蛋白端盖。最后，当它们在弯曲过程中释放自由能时，融合反应将发生在这些膜末端。第二种机制称为力传递。在这里，SNARE 复合体具有突触蛋白和突触小泡蛋白，它们是允许融合反应发生的因素。SNARE 复合体将从脂质双层链的 N 端开始，以拉链的方式合并单层。结果，它将形成稳定的四螺旋束，称为单层膜之间的核心 SNARE 复合体。

通过弯曲产生裂变

蛋白质通过释放膜颈部的自由能来产生裂变。有两种机制说明了这种裂变反应。第一种机制称为支架机制。它需要蛋白质复合体来驱动膜支架。膜支架的一个例子是它在包膜病毒释放中的作用。结果，支架将导致膜弯曲成圆柱形。这将导致“弹性能放松”。第二种机制称为疏水插入。与融合一样，裂变中的疏水插入也需要将疏水蛋白插入脂质基质之间。例如，蛋白质 BAR 结构域将导致脂质区域弯曲。结果，膜的形状会发生变化，然后驱动裂变中的自发反应。

通过膜张力产生膜重塑

脂质双层膜内部的张力会导致膜重塑反应的发生。这是基于蛋白质支架的过程。支架将在单层之间形成脂质桥，并导致融合的第一个阶段，称为半融合。然后会形成融合孔，它连接远端单层，并完成重塑过程。

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细胞内的内体拥有帮助分类和转运细胞包裹体的复合体，这些复合体被称为 ESCRT。研究发现 ESCRT 在病理学中扮演着重要角色，因为它影响着胞质分裂、病毒包膜出芽和囊泡生物发生。从细胞膜上移除受体并将其传递到溶酶体对于控制细胞信号至关重要。对内体中分类所有细胞包裹体的分子机制进行了深入研究，其结构和基本功能方面取得了重大进展。靶受体被泛素化，并通过细胞介导的内吞作用被送入内体。表皮生长因子受体 (EGFR) 是一个被降解的受体，但其他受体则通过小管回收回膜或内体-高尔基体。被指定用于降解的细胞包裹体被放置在囊泡中，并出芽进入内体腔，这些内体会进入多泡体，然后进一步与溶酶体融合。ESCRT 复合体由 5 个亚基组成，这些亚基被顺序性地由分子调节到内体膜上。然而，ESCRT 在内体的组装机制仍不清楚。ESCRT 蛋白复合体通过直接与磷蛋白 CEP55 相互作用，被送入胞质分裂过程中细胞的中央位置，这是膜裂解的必要条件。

来源：导致 ESCRT-III 催化的膜裂解的不同路径 Suman Peel1, Pauline Macheboeuf2, Nicolas Martinelli2 和 Winfried Weissenhorn2 1 英国布里斯托尔大学医学科学学院生物化学系，大学步行街，布里斯托尔 BS8 1TD，英国 2 病毒宿主细胞相互作用 (UVHCI) 单位，UMI 3265 格勒诺布尔约瑟夫·傅里叶大学-EMBL-CNRS，法国格勒诺布尔朱勒·奥里维耶街 6 号 38042

参考文献

Kozlov,Michael. McMahon, Harvey. Chernomordik, Leonid. 蛋白驱动的膜应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 蛋白产生的机制'. 生物化学趋势 doi:10.1016/j.tibs.2012.09.001 (第 37 卷第 12 期第 526-533 页)。