综述：揭示Sec31：COPII囊泡依赖性分泌及其他功能的调控因子

本综述系统阐述了COPII外被蛋白Sec31在调控囊泡组装/解聚动力学、大分子货物运输及细胞稳态中的核心作用。文章深入探讨了Sec31通过其结构域（如β-螺旋桨和α-螺线管域）与Sec13协同形成柔性笼状结构，以适配不同尺寸货物（如胶原蛋白）；揭示了其通过翻译后修饰（磷酸化、O-GlcNAcylation、泛素化）精细调控运输过程的分子机制；并拓展了其在自噬调控及病原体感染（如真菌、病毒）中的新兴功能，为相关疾病（如颅骨干骺端发育不良）提供了新的治疗靶点视角。

　　

STRUCTURAL ORGANIZATION OF SEC31

Sec31作为COPII外被的核心组分，其功能多样性直接源于其模块化结构。该蛋白包含四个关键结构域：N端β-螺旋桨域（由7个WD40重复序列构成）与Sec13相互作用，介导外被寡聚化，将四个相邻的边缘元件聚集形成顶点，这对于构建立方八面体COPII笼状结构至关重要。中央α-螺线管域与Sec13复合后形成棒状边缘元件（长28 nm），稳定Sec13-Sec31二聚化，并为外被扩张提供结构框架。C端脯氨酸富集区（含20%脯氨酸残基）包含多个PXXP基序，可结合内被蛋白Sec23的凝胶蛋白样结构域，从而桥接内、外被层。C端α-螺线管域虽不参与核心组装单元，但可能在大分子货物适配过程中贡献结构可塑性。这种结构组装（通过Sec13结合）与催化解聚调控（通过增强Sec23对Sar1的GAP活性）的整合，确立了Sec31作为COPII被膜动力学的关键整合者。

功能证据强化了这种结构-功能联系。例如，与N端β-螺旋桨域介导Sec13相互作用的功能一致，Sec13缺陷的被膜无法使内质网（ER）膜围绕刚性货物（如胶原蛋白）变形，导致胶原蛋白特异性运输缺陷。该表型直接反映了Sec13-Sec31寡聚化的缺失，破坏了立方八面体笼的完整性及其产生膜弯曲力的能力。

SEC31 IN REGULATION OF COPII-DEPENDENT TRAFFICKING

Roles of Sec31 in COPII-dependent trafficking

COPII囊泡在ER出口位点（ERESs）的组装涉及一个分级结合级联反应，Sec31作为关键枢纽，整合了其作为分子变阻器和COPII尺寸调节器的双重功能，这两者共同支撑了被膜动力学和货物适应性。Sar1被Sec12激活后，转化为Sar1-GTP，其N端α螺旋插入ER膜，招募内被复合物Sec23-Sec24。该复合物结合货物并激活Sar1， nucleate 外被Sec13-Sec31异源四聚体的组装，后者进一步寡聚化成八面体笼状结构。通过其与Sec23的相互作用，Sec31调节Sec23的GAP活性以微调Sar1-GTP水解，使其成为平衡组装/解聚动力学的分子变阻器，这种动态控制与其通过灵活性调节COPII尺寸的作用内在相连。

虽然典型的COPII囊泡能有效运输大多数常规货物，但超大分子货物的输出则依赖于Sec31驱动的结构适应性。典型60-80 nm的COPII囊泡无法容纳如300 nm的原胶原纤维等大分子货物，Sec31通过独特的结构域相互作用决定了COPII笼的结构可塑性。Sec31的N端β-螺旋桨和中央α-螺线管域对于外被晶格组装不可或缺，它们与Sec13形成关键界面，通过其WD40 β-螺旋桨域中的铰链基序介导晶格灵活性。与仅诱导初始膜弯曲的内被Sec23-Sec24复合物相比，Sec13-Sec31界面通过两种关键机制克服尺寸限制：(1) 几何构象调整：β-螺旋桨域内的四个接触区域和柔性铰链允许笼状结构边缘顶点发生构象变化。固定的α角（60°）和可变的β角（90°-120°，可能高达120°）支持形成能够包裹约300 nm刚性原胶原纤维的 elongated 晶格。(2) 机械力产生和稳定性维持：Sec13稳定Sec31的棒状构象，促进晶格聚合和膜围绕大分子货物的包裹。冷冻电子断层扫描进一步确定了棒内的两个铰链区；与Sec13介导的稳定化一起，这些铰链实现了局部弯曲以适应膜曲率，并增强了多态晶格的稳定性。

内被和外被层之间的协作进一步优化了可塑性。例如，酵母Lst1p/Sfb2p调节膜曲率以促进寡聚复合物的运输，说明了跨层级协同调控。

本质上，Sec31的双重角色——作为平衡组装/解聚动力学的分子变阻器和控制COPII尺寸的结构可塑性调节者——是根本相互依赖的：其动态稳定性调控为实现货物适应的构象灵活性提供了可能，而晶格重塑又受到变阻器动力学控制的 reciprocally 约束。这种整合确立了Sec31作为COPII依赖性运输的关键 orchestrator。

Regulation of COPII-dependent trafficking by accessory factors

Sec31的组装活性由SCOTIN和Sec16等辅助因子微调。在基础条件下，Sec16通过其保守的中心域稳定Sec31-Sec13复合物。该复合物作为分子支架，稳定Sar1-Sec23/Sec24相互作用以启动前体组装。它还抑制Sec31对Sec23 GAP活性的增强作用，从而防止Sar1-GTP过早水解，确保组装的精确性。相反，应激响应调节因子会覆盖这种基线控制。SCOTIN是一种ER transmembrane 蛋白，利用液-液相分离（LLPS）形成 condensates，在应激下 transiently 抑制被膜组装。这种应激响应调控确保了适应性分泌，但其 disruption 会导致病理后果。值得注意的是，Sec16本身在代谢应激下也采用LLPS功能。在营养胁迫或Mn²⁺信号下，COPII machinery 利用LLPS：Sec16与Sec23/Sec24通过 intrinsically disordered regions 形成动态 condensates，将运输组分（如Sar1）浓缩成生物分子组装体，以优化高通量分泌，如含ApoB的脂蛋白。我们假设这种LLPS介导的区室化可能提高了Sec31及其相互作用伙伴的局部浓度，从而促进了Sec31参与COPII囊泡组装和大货物运输。

在囊泡形成与融合的分子界面，Sec31与高尔基体驻留因子协作以促进货物递送。位于高尔基体的七次跨膜蛋白PAQR3与Sec13和Sec31a的WD结构域相互作用，介导COPII囊泡与高尔基膜的拴系——这是货物释放和后续 processing 的关键步骤。此外，哺乳动物p125A是一种与ERES相关的蛋白，它结合Sec31a的C端片段以协调Sec23-Sec24和Sec13-Sec31复合物，确保高效组装和出芽。

虽然Sec31的结构域提供了基础可塑性，但辅助因子作为分子适配器扩展了COPII笼的功能范围。这种重塑的一个典型例子是TANGO1依赖性管状颈环在ERESs的形成，辅助因子在此 orchestrate Sec31组装圆柱形支架。这些支架创建了膜隧道， bypass 了常规囊泡的尺寸限制，用于运输大分子货物如胶原蛋白。除了支架形成，TANGO1还调节囊泡力学以促进原胶原加载；其在小鼠中的缺失重现了COPII缺陷的胶原表型，强调了其在结构形成和货物特异性膜适应中的双重作用。并行地，cTAGE5作为共调节因子，通过Sec12相互作用稳定Sar1-GTP，延长被膜组装时间以进行 extended 晶格生长——这对大分子货物至关重要。值得注意的是，Sec31 orchestrate 这些辅助因子：它在 nascent 小管处 displace TANGO1和cTAGE5以确保单向晶格扩张，将其功能整合到核心组装网络中。

除了利用COPII笼可塑性进行大货物封装外，细胞还进化了另一种特殊机制来应对超大货物——COPII领环模型。该模型由Vivek Malhotra描述，负责如胶原蛋白等大货物的细胞内运输。与常规COPII囊泡运输不同，COPII领环是一个稳定的环状结构，由COPII核心组分在ER管状延伸的颈部组装而成，并由 transmembrane 支架蛋白TANGO1组织。TANGO1将ERES和ER-高尔基体中间区室（ERGIC）拴系在一起，促进这两个区室之间的膜融合以形成连续的管状运输隧道。鉴于Sec31在COPII组装和灵活性中的作用，我们提出其参与稳定领环独特的管状-网状形态。

Regulation of COPII-dependent trafficking by post-translational modifications

上述辅助因子通过物理相互作用为Sec31的功能提供了宏观调控框架，而翻译后修饰（PTMs）则通过化学修饰精确微调Sec31的分子相互作用和构象。这些化学修饰与辅助因子协同，构成了COPII运输的多层次调控网络。

Phosphorylation

Sec31首先在S. cerevisiae和哺乳动物细胞中被鉴定为磷酸蛋白，其磷酸化动力学与ERESs的COPII囊泡出芽紧密相关。蛋白磷酸化是Sec31介导的COPII囊泡动力学的核心调控机制，通过两个保守的激酶通路运作。案例激酶II（CKII）在囊泡生物发生过程中是组成型活性激酶，它磷酸化α-螺线管域（S527/S799）和C端尾部（T1165）的特定残基。这种空间特异性使CKII能够作为分子变阻器：磷酸化降低了Sec31与Sec23的结合亲和力，同时通过 Sec23 GAP结构域变构调节增强了Sar1 GTP酶激活。这种双重功能 fine-tune 了COPII囊泡的组装和解聚，确保了对货物包装的精确控制。

细胞周期蛋白依赖性激酶1（Cdk1）是真核细胞分裂周期（特别是G1/S转换）的主调控因子，为Sec31调控增加了另一层复杂性。Sec31被Cdk1磷酸化已在布氏锥虫和S. cerevisiae中得到证实，突出了细胞周期 machinery 与分泌通路之间的保守交叉对话。比较分析揭示了显著的物种特异性适应：S. cerevisiae利用两个调控磷酸化位点（S836/S980），而布氏锥虫 employs 七个（T21/T442/T695/T960/T970/S1014/S1016），这种分化与其不同的分泌需求相关。这种进化可塑性强调了磷酸化作为一个 versatile 调控界面，使得能够动态调整分泌能力以适应不同生物学背景下的细胞需求。

O-GlcNAcylation

除了磷酸化，O-GlcNAcylation作为COPII生物学中的应激响应调控枢纽出现。这种修饰在Ser/Thr残基上与磷酸化竞争，动态控制对囊泡生物发生至关重要的蛋白质-蛋白质相互作用。作为一种细胞信号传导的关键调节因子，这种修饰影响多种过程，包括其在ERESs调节COPII囊泡生物发生中的 well-established 作用。O-GlcNAcylation靶向关键的COPII组分。机制上，钙结合蛋白ALG2与Sec31A的脯氨酸富集区相互作用，以钙依赖性方式抑制COPII囊泡出芽。在阿尔茨海默病中，β-淀粉样肽 elevate 细胞内钙水平，同时减少Sec31（S964）的O-GlcNAcylation。这种受损的修饰增强了ALG2与Sec31的结合，最终阻碍COPII囊泡出芽。此外，Sec23A O-GlcNAcylation表现出进化保守性：其单一修饰位点的突变破坏了人类细胞中的胶原运输，并在斑马鱼颅骨-小骨-缝发育不良（CLSD）模型中引起骨骼缺陷。这些例子突出了Sec31或其相互作用因子的遗传或翻译后缺陷如何 disrupt COPII组装的微妙平衡，导致病理后果。

Ubiquitylation

除了辅助因子介导的适应外，PTMs如泛素化为Sec31依赖性笼动力学增加了时间和空间控制层。Sec31受到Cul3-Klhl12 E3连接酶复合物 orchestrate 的关键翻译后调控 via 泛素化。Klhl12是一种Kelch结构域蛋白，通过其保守的“PGXPP”基序识别Sec31A的WD40重复序列，并与Cul3合作在ERESs催化单泛素化，那里正在包装如原胶原等大分子货物。遗传研究将Cul3-Klhl12功能障碍与神经嵴发育缺陷和胶原分泌缺陷联系起来，这些表型与受损的Sec31依赖性囊泡可塑性一致。机制上，这种泛素化事件受到钙敏感信号轴的严格调控。钙结合蛋白PEF1和ALG2作为辅因子，调节局部胞质钙（[Ca²⁺]_c）以稳定Cul3-Klhl12-Sec31复合物在需要大囊泡形成的ERES。PEF1-ALG2首先将Klhl12从其负调控因子Lunapark上解离，促进Sec31A招募到连接酶复合物。Cul3-Klhl12然后单泛素化Sec31A和PEF1本身——这是一个稳定酶以进行 processive 修饰的反馈循环。一旦 enlarged COPII笼组装完成，去泛素化酶USP9X移除PEF1连接的泛素，解离复合物以终止反应。该通路在如软骨细胞等细胞类型中特别相关，其中[Ca²⁺]_c fluctuations 协调胶原合成和分化，揭示了钙信号传导与Sec31介导的囊泡适应在胶原输出过程中的直接联系。

Functional conservation across species

Sec31在进化中的功能保守性通过其在 diverse 生物学背景中的 essential 作用得到强调。在布氏锥虫中，Sec31 disruption 损害了分泌标记物BiP^NAVRG-HA9的顺向运输，突出了其在原生动物分泌通路中的 essential 作用。在后生动物中，如斑马鱼，Sec31耗竭通过阻断ER-to-Golgi流 disrupt 消化器官发生和眼睛发育，突出了其对多细胞组织形成的必要性。虽然原生动物和后生动物研究突出了Sec31的 essential 作用，但植物系统揭示了其适应性能力。在植物系统中，Sec31过表达挽救了由IRE1突变引起的拟南芥雄性不育，证明了其恢复分泌流和未折叠蛋白反应稳态的保守能力。这些发现反映了Sec31结构域——β-螺旋桨和α-螺线管——的保守性，这些结构域使得能够在整个生物界进行分级组装。

Dysfunctions of Sec31 and diseases

作为COPII复合物的关键调控枢纽，Sec31功能障碍 disrupt 了如胶原蛋白等大分子的运输平衡，是多种人类疾病（ notably 遗传性骨骼发育不良和神经退行性疾病）的共同病理基础。CLSD是一种典型的COPII依赖性运输 disorder，其特征是胶原滞留、骨骼畸形和面部异常。Sec23A-F382L错义突变 disrupt 胶原运输，导致典型的CLSD表型：受损的胶原分泌到细胞外基质中，通过影响Sec31相互作用的关键残基，导致骨骼矿化延迟和囟门闭合异常。Sec24D功能障碍 similarly 损害胶原分泌，导致软骨畸形和严重的颅面形态异常，证实了内被和外被蛋白的协同调控。

SEC31 IN AUTOPHAGY REGULATION

除了其在分泌囊泡生物发生中的作用外，Sec31利用其结构和调控特性参与自噬体形成，这是一个需要类似膜重塑能力的过程。

Species-specific and context-dependent functions of Sec31 in autophagy

作为COPII复合物的核心组分，Sec31在自噬调控中表现出情境依赖性双重作用。典型COPII功能的缺陷——如Sec12、Sec23或Sec31的缺失——导致自噬体生物发生 abrogation。这种功能依赖性在机制上归因于受损的ER膜曲率诱导，这是自噬体成核的关键步骤。在成骨条件下，Sec31独特地与自噬膜蛋白Atg9相互作用以促进COPII依赖性自噬体形成，这是与其他COPII亚基不同的功能，突出了其在特定生理背景下的 specialized 作用。值得注意的是，酵母研究表明Sec31突变体没有显示明显的自噬缺陷，表明Sec31介导的自噬存在物种特异性或应激依赖性功能 divergence，这反映了跨物种调控机制的适应性进化。

Sec31整合钙信号和膜重塑以驱动自噬。在ER应激诱导的钙释放过程中，胞质适配器ALG2转位到ERESs，并通过其第三个钙结合口袋与Sec31的脯氨酸富集区结合，这是一种从酵母到人类都保守的相互作用。ALG2 further 通过ALIX的脯氨酸富集区桥接Sec31与ESCRT-III辅助蛋白ALIX， forming 一个对膜内陷至关重要的多蛋白复合物。在巨型单层囊泡中的重构研究表明，只有当ALIX保留其N端Bro1结构域和C端脯氨酸富集区时，Sec31的C端片段与ALIX在 intraluminal 囊泡中共定位；任一结构域的截断都 abrogate 了这一过程，证实了它们在Sec31依赖性囊泡出芽中的 essential 作用。

Interactions with other COPII components and unanswered questions

Sec31的自噬功能嵌入更广泛的COPII调控网络中，涉及与其他组分的协同或独立相互作用。在肥胖脂肪细胞中，内体 endotrophin 促进Sec13-ATG7相互作用以加速自噬体形成， independent of Sec31， indicating 自噬调控中存在 parallel 的Sec31依赖和非依赖通路。内被蛋白上的磷酸化事件 further 使这种调控多样化：ULK1激酶磷酸化Sec23A的Ser207/312和Thr405以抑制COPII分泌并将 machinery 重新导向自噬，同时磷酸化Sec23B以增强ERES-to-ERGIC运输和自噬流。此外，Ypt1招募的Hrr25激酶磷酸化Sec24的远端膜表面，增强其与COPII囊泡附近Atg9的 association 以促进自噬体成核。尽管Sec31拥有保守的磷酸化位点，但这些修饰是否调节其自噬功能——与其在胶原运输中的 established 作用不同——仍不清楚。这个未解决的问题代表了研究COPII通路交叉对话的前沿，为 decipher 自噬和分泌通路的精确调控提供了新的靶点。

SEC31 AS A PATHOGEN-SPECIFIC TARGET: FROM FUNGAL PATHOGENESIS TO VIRAL REPLICATION

机会性病原体劫持或靶向宿主囊泡运输 machinery，如COPII复合物，以建立感染生态位或完成其生命周期。作为COPII外被的核心组分，Sec31在真菌发病机制和病毒复制中扮演双重角色——既是病原体生存 essential 的宿主因子，又是宿主免疫识别或治疗干预的关键靶点。Sec31功能障碍可触发微生物的致死反应或阻断其感染过程。

Functional dependence and targeted intervention of fungal pathogens on Sec31

机会性真菌病原体白色念珠菌引起从浅表粘膜病变到危及生命的播散性念珠菌血症的感染，尤其是在免疫受损宿主中，突出了其显著的临床相关性。抗真菌药物奥替溴铵通过选择性结合Sec31发挥作用， disrupt 其在COPII复合物中的功能，并 specifically 阻断麦角固醇转运蛋白Sip3的质膜定位。这导致Sip3和其他货物蛋白的异常 intracellular 积累，最终激活“细胞毒性自噬”—— excessive 自噬 disrupt 真菌膜完整性并导致细胞死亡。该机制突出了Sec31作为抗真菌药物靶点的潜力，其功能抑制通过 disrupt 膜蛋白稳态触发微生物的致死应激反应。

在细胞内真菌感染中，荚膜组织胞浆菌的Sec31蛋白表现出免疫原性：感染诱导小鼠脾脏和肺部产生Sec31反应性T细胞，表明该蛋白参与宿主对 intracellular 真菌的免疫识别。这种现象表明，Sec31除了是被病原体利用的宿主因子外，还可能作为被免疫系统识别的“危险信号”，桥接先天和适应性免疫。

Hijacking and disruption of Sec31 and COPII vesicles by RNA viruses

丙型肝炎病毒，封装为 lipoviroparticle，利用宿主分泌通路进行生物发生：其核心蛋白、包膜蛋白和载脂蛋白在Sec31包裹的COPII囊泡内积累，劫持宿主囊泡运输 machinery 用于颗粒组装和释放。Sec31提供了一个结构平台，确保病毒组分的正确定位和包装，作为病毒成熟的关键宿主因子。

在感染早期，脊髓灰质炎病毒将Sec31标记的COPII囊泡重新用于病毒RNA复制的亚细胞微区室。机制上，病毒感染诱导Sec31的蛋白水解 cleavage，在RNA复制后 disrupt 囊泡结构完整性以释放新合成的病毒基因组。Disrupt Sec31功能或COPII复合物完整性 misdirect 病毒组分的亚细胞运输，显著 attenuating 病毒复制能力，证实了Sec31在病毒复制周期中作为不可或缺的宿主因子。

尽管感染策略不同，真菌和病毒在它们对Sec31的依赖性上表现出显著 convergence。Sec31调控COPII囊泡生物发生，参与病原体膜蛋白运输或病毒组分组装， serving as 一个连接宿主分泌通路与微生物发病机制的枢纽。这些发现启发了广谱抗菌药物开发的新策略：靶向Sec31介导的囊泡运输通路可能同时干扰真菌发病机制和病毒复制，克服传统单靶点药物的局限性。

CONCLUSIONS

Sec31作为COPII囊泡力学和细胞稳态的关键协调者的 indispensable 作用现已 firmly established，然而关键的机制细节仍然 obscure。尽管在定义其结构域（如β-螺旋桨和α-螺线管）和PTMs（如泛素化）方面取得了进展，但Sec31如何适应货物尺寸、组成和细胞背景的精确分子机制仍然不完全清楚。例如，诸如Cul3-Klhl12介导的单泛素化等PTMs如何调节Sec31的构象以适配从300 nm原胶原纤维到小分泌肽的各种货物？此外，虽然Sec31的C端脯氨酸富集区被 implicated in Sar1 GTP酶调控，但内被（Sec23/Sec24）和外被（Sec13/Sec31）动力学在货物特异性组装过程中的时空协调——尤其是在ER钙流或营养剥夺等应激条件下——代表了一个 significant 知识 gap。这些未解答的问题至关重要，因为它们 underlie 细胞如何优化囊泡生物发生以满足组成型分泌和 specialized 货物输出的 divergent 需求。

Sec31研究的一个主要前沿在于其与自噬和应激反应通路的交叉对话。虽然Sec31a耗竭 disrupt 成骨细胞中的自噬流并损害斑马鱼的胶原分泌，但Sec31依赖性ERES组织与自噬体膜供应之间的机制联系仍然 poorly defined。含Sec31的COPII囊泡是否直接贡献于自噬体生物发生，或者Sec31是否调节更广泛的膜运输网络以促进脂质和蛋白质向自噬结构的递送？此外，Sec31亚型（Sec31a与Sec31b）在不同细胞类型中的功能 specialization——如Sec31b在小脑和睾丸中的富集—— awaits 探索。遗传筛选和单细胞蛋白质组学对于绘制神经元或生殖细胞特定背景下的Sec31相互作用伙伴图谱至关重要， addressing Sec31b是否介导与