《Current Opinion in Cell Biology》：Redefining the entrance and exit of the Golgi apparatus
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这篇综述系统性地梳理了高尔基体cis-trans极性两端——cis侧高尔基网络(CGN)与trans侧高尔基网络(TGN)——作为货物进入和离开高尔基体的关键枢纽的最新进展。作者通过比较动植物及酵母细胞的研究，提出CGN是一个广泛保守的区室，并在布雷菲德菌素A(BFA)处理下表现出与高尔基主体不同的特性，而TGN则作为重要的分拣平台。综述还讨论了Rab GTPase在后续通路中的作用差异，并强调了高清活细胞成像等新技术对完善模型的重要性。
引言
2026年1月21日是卡米洛·高尔基逝世一百周年纪念日。一个世纪之后，高尔基体精美的结构和复杂的功能仍然吸引并困惑着众多细胞生物学家。关于蛋白质在高尔基体内分选的分子机制，学界一直存在激烈争论。20世纪90年代到21世纪初，围绕高尔基体内的货物运输曾有一场大辩论，主要提出了两种模型。稳定区室模型认为，高尔基池是稳定的区室，货物蛋白通过囊泡以顺式到反式的方式从一个池运输到下一个池，因此也被称为囊泡运输模型。另一方面，顺式成熟模型假设顺式池是de novo形成的，并向反式端进展。货物停留在池内直至到达反式端，此时池分解成囊泡前往下一目的地。在此过程中，池必须从顺式特性转变为反式特性，这一“成熟”过程被认为是通过高尔基驻留蛋白/酶以反式到顺式的逆向囊泡运输实现的。对哺乳动物和酵母的研究结果有力地支持了顺式成熟模型，激烈的争论似乎已经平息。然而，另一个重要问题依然存在：参与高尔基体内运输的囊泡所扮演的角色。从内质网形成的囊泡是COPII包被的，而从高尔基池释放的囊泡则大多依赖于Arf GTPase并由COPI包被。COPII囊泡运输新合成的货物，但COPI囊泡的预期作用在上述两种模型中有所不同。关键问题是，从高尔基池形成的囊泡是只包含货物、只包含驻留蛋白/酶，还是两者都有，目前仍未明确。
执行货物顺序修饰的高尔基主体，被两个专门进行活跃蛋白质分选的区室夹在中间，即cis侧高尔基网络(CGN)和trans侧高尔基网络(TGN)。本文作者几年前的一篇综述就聚焦于这些区室，并提出它们通常独立于高尔基主体发挥作用，以调节货物进入和离开高尔基。支持这一概念的研究正在涌现，本综述旨在阐明关于这些区室的最新认知。
cis侧高尔基网络 (CGN)
CGN这个术语最初是用来指内质网与高尔基体之间的回收区室。然而，也存在其他几个名称指代相关区室，常使非专业人士感到困惑。ERGIC（内质网-高尔基体中间体）、IC（中间体）、VTC（囊泡管状簇）以及GECCO（高尔基进入核心区室，由作者团队在植物中命名）都描述了内质网和高尔基体交界处的结构。这些不同名称的区室具有共同特征，因此可以用一个统一的术语来称呼。
在此，作者选择使用CGN这个术语。BFA（布雷菲德菌素A）这种Arf鸟苷酸交换因子(GEF)的强效抑制剂，为定义CGN提供了一个关键概念。BFA能够解聚高尔基体并将其重新分布到内质网。在烟草细胞中，大多数高尔基标记物在BFA处理下会重定位到内质网，但少数“最顺式”的蛋白质仍以点状结构存在，作者将其命名为GECCO。在果蝇细胞中，当Arf GEF Garz被敲低时，也观察到类似情况。在酵母细胞中，通过引入增强药物渗透性的erg6突变使其对BFA敏感，可以发现主要高尔基体蛋白Vrg4在BFA作用下重定位到内质网，而顺式高尔基蛋白Sed5（Syntaxin 5的同源物）仍保持点状。这些观察表明，一些早期顺式高尔基蛋白存在于一个独特的区室中，这个区室以某种方式调节货物进入高尔基体，可能也调节蛋白质在内质网和高尔基体之间的回收。我们可以将这个早期顺式高尔基体区室视为酵母的CGN。
在哺乳动物细胞中，高尔基带集中在核周的中心体区域，因此从细胞外围内质网出口位点输出的货物必须长途运输到核周高尔基体。这被认为是存在可移动中间区室ERGIC的理由。相比之下，植物细胞中的高尔基堆彼此独立，并且几乎总是紧邻内质网出口位点，无需长途运输。值得注意的是，ERGIC标记物也存在于哺乳动物高尔基堆的最顺式池中，这支持了植物CGN（GECCO）与哺乳动物CGN（ERGIC）之间存在相似性的观点。综合这些跨物种证据，作者提出CGN是一个在动物、植物和酵母细胞中广泛保守的区室，它是调节货物进入高尔基体的门户，并且通常具有移动性，可以独立于高尔基主体发挥作用。
trans侧高尔基网络 (TGN)
TGN这个术语已被广泛接受。有证据表明，TGN应被视为独立于高尔基主体。例如，在拟南芥培养细胞中，TGN标记物SYP41（哺乳动物Syntaxin 16和酵母Tlg2的植物同源物）存在于一个明显区别于高尔基标记物的区室中。电子显微镜研究也显示了植物TGN的两个群体，一个与高尔基体相连，另一个则独立。此外，植物TGN表现出反复与高尔基体结合和分离的行为。在果蝇S2细胞和人类HeLa细胞的回收内体中，也观察到非常相似的行为。考虑到TGN和回收内体有许多共同特性，这些观察表明TGN/回收内体是高尔基体反式侧的一个移动单元。
作者团队对酵母高尔基体及其相邻区室进行了系统研究，以观察它们在活细胞中出现的顺序。研究提出TGN标记物可分为两组：早期TGN（货物接收阶段）和晚期TGN（载体形成阶段）。早期TGN主要由Ypt6（酵母的Rab6对应物）标记，而晚期TGN由Ypt31/32（酵母的Rab11对应物）标记，因此似乎部分对应于动物的回收内体。
BFA的作用再次呈现出一个有趣的特征。与CGN类似，TGN对BFA导致的重定位到内质网的作用也具有抗性，但会形成不规则结构。在烟草细胞中，BFA处理后，高尔基主体完全被内质网吸收，而CGN保持点状，TGN则进入囊泡状结构。当洗去BFA后，高尔基主体以CGN为支架再生，而TGN则在BFA洗脱后早期独立重组，然后找到高尔基主体旁边的原始位置。
TGN被认为是货物蛋白在高尔基主体中经过各种修饰后进行分选的平台。它们的目的地各不相同，包括质膜（分泌）、内体以及溶酶体/液泡。TGN也是以逆向方式从内体接收货物的地方，至少在植物和酵母细胞中，它甚至可以直接从质膜接收货物。衔接蛋白(AP)复合物和高尔基体定位的含有Arf结合蛋白的γ-ear蛋白被认为在TGN分选分泌蛋白和液泡/溶酶体蛋白中发挥重要作用。尽管仍存争议，但目前倾向于认为AP-1的作用是从后期的高尔基体后区室回收蛋白质。
超越TGN的后续通路
在从TGN到溶酶体/液泡的运输中，已知货物会经过称为晚期内体、多泡体/多泡内体或前液泡区室的区室。然而，这些区室在Rab GTPase、Rab5和Rab7的作用上，动物与植物/酵母之间存在显著差异。哺乳动物的晚期内体以Rab7为标志。它也被认为是连接来自TGN的生物合成途径和来自早期内体的内吞途径的枢纽。然而，在植物和酵母细胞中，位于TGN和液泡之间的相应区室由Rab5标记，而Rab5在哺乳动物中是早期内体的标志性蛋白。另一方面，Rab7在酵母和植物细胞中标记液泡，但在动物细胞中不标记溶酶体。
这种Rab5和Rab7工作场所的巨大差异曾令作者感到困惑。尽管运输机制在真核物种间显著保守，但为何存在如此大的差异？如果认为TGN -> Rab5区室 -> Rab7区室这条通路在所有真核生物中都是保守的，那么就可以解释得通。溶酶体和液泡被认为是同源的，但溶酶体可能是酵母/植物中Rab7标记的液泡之后的又一步。Rab5区室在物种间可能保留了相似的功能。实际上，在HeLa细胞中，Rab5不仅存在于细胞外围，也存在于紧邻TGN的区域，这支持了其在溶酶体货物的生物合成运输中的作用。
通过最先进的成像技术完善运输模型
不用说，高时空分辨率的活细胞成像对于高尔基体研究来说非常强大且重要。作者团队最近开发的新型超分辨率共聚焦活细胞成像显微镜(SCLIM2M)特别有优势。凭借其高时间分辨率和高灵敏度，现在几乎能够在活细胞中检测和跟踪高尔基体周围运行的单个囊泡。结合RUSH（使用选择性钩子进行滞留）技术，现在可以实时分析货物和高尔基驻留蛋白在高尔基体内外的行为。初步数据表明，货物并非平静地停留在池中。这可能对经典的顺式成熟模型提出了挑战。关于如何解释不同货物的不同运输速度的问题已经被提出，池之间的管状或直接连接被认为是替代路径。货物能否也通过囊泡进行顺向运输将是一个关键问题。无疑可视化单个囊泡和管状结构内容物和行为的高分辨率、超高速度活细胞成像，将是获得最终答案所必需的。
将这种高时空分辨率的活细胞成像与电子显微镜相结合，也为我们理解处于动态中的CGN和TGN的超微结构提供了令人兴奋的可能性。在HeLa细胞的活体成像中，CGN和TGN区域看起来像点的结构，实际上是囊泡和/或管状结构的簇。从结构和功能角度进一步理解这些区室，将使我们更清晰地认识高尔基体两侧的分选机制。
尚待解决的问题
作者意识到，本文描述的概念可能被视作过于简化。确实，酵母只有11个Rab/Ypt GTPase，而人类和拟南芥分别有60个和57个成员。这个蛋白质家族的多样化必然导致了运输途径的变异。另一个重要的GTPase家族，Sar/Arf蛋白，也应在控制运输中发挥作用。
许多问题仍然存在。为什么BFA将蛋白质重定位到内质网的作用只对高尔基主体有效？如果BFA抑制了Arf的激活，那么不仅COPI，AP衔接复合物和GGA的组装也应受到影响。为何只有高尔基主体的组分因BFA而解聚，这是一个大谜团。CGN与高尔基体之间，以及高尔基体与TGN之间的边界也很有趣。在酵母细胞中，跨越这些边界的成熟过程相当平稳。值得注意的是，CGN和TGN的组分在一定程度上存在于顺式和反式池中，表明了这些区室的连续性。它们如何在成熟过程中分化其功能，将是一个有待解决的重要问题。成熟过程中的空间分离可能是关键。
CGN和TGN之间的直接相互作用是另一个令人兴奋的话题。在某些被称为“高尔基体旁路运输”的事件中，货物似乎直接从CGN进入TGN。这种途径的存在对高尔基体研究人员来说也必定是激动人心的。
