COPII囊泡功能障碍通过SEC-23激活HSF-1的分子机制及其在蛋白质稳态调控中的作用

本研究揭示了COPII（coat protein complex II）囊泡功能障碍如何通过核心组分SEC-23激活转录因子HSF-1（heat shock factor 1）的分子机制。研究人员利用线虫和哺乳动物细胞模型，发现COPII组装受阻会导致HSF-1从复合体释放并核转位，进而驱动特异性转录重编程以维持蛋白质稳态。该发现为理解HSF-1如何感知细胞内运输异常提供了新视角，对蛋白质构病相关疾病的治疗策略开发具有启示意义。

　　

在细胞生命活动中，维持蛋白质稳态（proteostasis）是关乎生存的核心命题。作为"蛋白质质量控制总管"的转录因子HSF-1（heat shock factor 1），虽然已知它能响应热激等应激激活分子伴侣表达，但对其如何感知内质网-高尔基体运输障碍这一关键生物学过程，科学界仍知之甚少。与此同时，COPII（coat protein complex II）囊泡作为内质网分泌途径的"分子快递员"，其功能紊乱会导致蛋白质在细胞内异常堆积——这种现象与神经退行性疾病等多种病理过程密切相关，但细胞如何监测COPII功能障碍并启动防御机制，仍是未解之谜。

针对这一科学盲区，中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所的何志东、唐娜团队在《Journal of Molecular Cell Biology》发表重要研究。通过整合CRISPR/Cas9基因编辑、免疫共沉淀质谱、活体成像和转录组分析等技术，研究人员首次揭示：HSF-1能通过与COPII核心组分SEC-23的直接相互作用，实时监控囊泡组装状态。当COPII功能受损时，HSF-1从复合体解离并转位至细胞核，启动独特的基因表达程序以应对蛋白质运输危机。这一机制在从线虫到哺乳动物的进化过程中高度保守，为理解蛋白质质量控制网络提供了全新范式。

【主要技术方法】
研究采用CRISPR/Cas9构建内源性HSF-1::GFP标记线虫株，通过抗GFP免疫共沉淀联合质谱鉴定互作蛋白；利用RNA干扰（RNAi）选择性敲降COPII组分，结合荧光显微镜观察HSF-1亚细胞定位；采用High Five昆虫细胞表达系统验证蛋白直接互作；通过PolyQ聚集分析和热耐受实验评估蛋白质稳态变化；运用RNA-seq解析转录组特征；在NIH3T3细胞中通过shRNA敲降和共聚焦显微镜验证哺乳动物保守性。

【研究结果】

HSF-1与COPII组分SEC-23相互作用并响应COPII复合体破坏
• 质谱分析发现线虫HSF-1与SAR-1、SEC-23等COPII核心组分存在物理相互作用
• 体外实验证实HSF-1::EGFP特异性结合SEC-23::FLAG而非SAR-1::FLAG
• RNAi抑制sar-1或sec-23导致HSF-1核转位增加5倍，并上调hsp-4等分子伴侣基因

HSF-1促进COPII运输障碍时的蛋白质稳态维持
• 抑制COPII导致卵黄蛋白VIT-2::GFP在肠道积累形成聚集体，该效应在hsf-1共敲除时加剧
• COPII缺陷使胰岛素样蛋白DAF-28::GFP分泌受阻，hsf-1缺失导致其错误折叠加剧
• sar-1 RNAi使线虫对渗透压诱导的PolyQ₄₄聚集抵抗性提高，该保护作用依赖hsf-1
• 破坏COPII使线虫热休克存活率提升2倍，hsf-1敲除完全消除此保护效应

COPII缺陷诱导特异性HSF-1转录活性
• 转录组分析发现sar-1 RNAi引起2358基因上调和1912基因下调，其中16.4%上调基因受HSF-1调控
• 与热激反应不同，COPII特异的HSF-1靶基因富集于神经肽信号、转录调控和细胞死亡通路
• 该转录特征区别于内质网未折叠蛋白反应（UPR^ER），提示新型监测机制

HSF1在哺乳细胞中监控COPII囊泡
• 人源HSF1-EGFP与SEC23A-FLAG而非SEC23B互作，定位在内质网共区域
• shRNA敲降Sar1b减少SEC23A斑点，同时降低HSF1在内质网的共定位
• 抑制COPII使核HSF1增加40%而不改变总蛋白量，证实机制保守性

【结论与意义】
这项研究阐明了HSF-1/SEC-23相互作用构成的"COPII监测器"分子机制：在正常状态下，HSF-1通过结合SEC-23锚定于内质网出口位点（ERES）；当COPII组装受阻时，HSF-1释放并激活特定转录程序，不仅缓解分泌蛋白滞留引起的内质网压力，还增强细胞对多种蛋白毒性应激的抵抗能力。该发现有三重突破性意义：（1）首次将HSF-1的应激监测功能拓展至膜运输领域，补充了经典的分子伴侣滴定模型；（2）揭示COPII功能与细胞应激反应的直接偶联，为COPII相关疾病如颅面-骨骼异常综合征的治疗提供新靶点；（3）发现HSF-1能根据应激源性质（如热激vs运输障碍）启动差异化转录应答，展现其"智能调控器"特性。这项研究为理解细胞如何维持蛋白质稳态网络提供了全新视角，相关机制可能成为干预蛋白质构病的新策略。