Nat Cell Biol | 何康敏团队发现全新囊泡循环原理

内吞（endocytosis）是细胞将外界的营养物质、受体、脂类等通过细胞膜运输进细胞内部的过程。大部分被内吞的物质会被运送到早期内体（early endosome）进行分选，约70-80%的内吞后的膜蛋白如受体、通道蛋白和转运蛋白等会通过循环途径（recycling）再次回到细胞膜。内吞和循环过程对细胞的生存、稳态和环境交流非常重要，其紊乱与癌症和神经退行性疾病等多种疾病密切相关。

哺乳动物细胞可以通过不同途径进行循环，包括广泛研究的“快速”和“慢速”循环途径。“快速”循环途径主要由小GTP酶Rab4或Rab35调控，能够将内吞的物质从早期内吞体直接运输回细胞膜；而“慢速”循环途径则主要由Rab11调控，从近核的早期循环体（early recycling compartment, ERC）或循环内体（recycling endosome）回收物质。但是，目前对于大量不同膜蛋白如何高效地回到细胞膜的具体途径和机制还知之甚少，是否存在独立于经典“快速”和“慢速”途径之外的循环方式仍待探索。

2024年9月19日，中国科学院遗传与发育生物学研究所的何康敏团队在《Nature Cell Biology》杂志上报告了一种新的快速囊泡循环途径，并将其命名为CARP（clathrin-associated fast endosomal recycling pathway）。这一研究是基于先前发表于《Nature》杂志的工作，利用耦合探测原理（coincidence detection）开发了一系列特异性clathrin包被内吞囊泡的磷酸肌醇脂质探针。

通过观察细胞膜上的clathrin和AP2蛋白，研究团队发现了clathrin阳性但AP2阴性的囊泡，这些囊泡在细胞膜上短暂停留后迅速再次进入细胞内。通过多种显微成像技术证实，这些囊泡与细胞膜短暂互动，随后重新进入细胞，其动力学特性与传统内吞囊泡和循环囊泡均不同，团队命名其为CARP囊泡。

研究进一步发现，CARP囊泡在细胞内高度富含clathrin的衔接分子AP1。利用基因编辑和单分子成像等方法，证明了这些囊泡以“kiss-and-run”的方式与细胞膜发生半融合。为了进一步解析CARP囊泡的组成、来源、功能和调控机制，研究团队利用特定探针、活细胞成像筛选和图像分析体系，发现了与CARP囊泡相关的多种蛋白分子，包括Arf1、Rab1、Rab11、exocyst组分、VAMP2等SNARE蛋白和dynamin等。

有趣的是，CARP囊泡的生成与经典的retromer组分（如VPS35）在早期内体上定位不同，且不依赖于retrieval复合物的核心组分。这些发现提示CARP囊泡以独立于retrieval复合物的方式生成于早期内体。功能上，研究发现CARP囊泡能够快速回收内吞后的受体，如GPCR家族的β2-肾上腺素能受体和RTK家族的表皮生长因子受体。此外，CARP囊泡还介导转铁蛋白受体等受体的持续循环。

综上所述，借助耦合探测脂质探针、基因编辑、多种成像技术和定量分析，何康敏团队发现的CARP循环途径，其生成方式、与细胞膜的融合方式、功能及关键调控因子均不同于经典的循环途径，可能代表了一种新的循环机制。这一发现不仅丰富了对内吞循环的理解，也揭示了clathrin在介导内吞之外的新功能。