将来自内质网的新合成蛋白质转入到COPII囊泡中是蛋白质分泌的必要条件。在细胞中，COPII囊泡的直径大约60-80纳米，但其中一些必须增加它们的大小来适应运载较大的蛋白，如300-400纳米的胶原蛋白纤维或乳糜微粒。COPII功能受损会导致胶原沉着缺陷导致CLSD（Cranio-Lenticulo-Sutural Dysplasia）或乳糜微粒驻留病(Chylomicron retention disease)。然而知道现在科学家们对于COPII涂层增大的机制还并不清楚。在这篇文章中，研究人员发现了“泛素连接酶”CUL3-KLHL12是COPII涂层形成过程中的一个调控因子。CUL3-KLHL12催化COPII成分SEC31单泛素化，促进了大COPII涂层的形成。所以，CUL3–KLHL12泛素化作用并非在小货物（cargo）运输，而是在胶原质的输送中发挥至关重要的作用。研究人员由此推论单泛素化作用调控了COPII囊泡的大小和功能。
细胞外基质为诸如integrin等膜受体提供细胞粘附支架和结合位点，这对于所有多细胞动物的发育均至关重要。当integrins与细胞外基质相结合时，会激发调控细胞形态和分裂的信号级联反应。然而在缺乏功能性基质的情况下，integrins会通过胞吞作用（endocytosis）与质膜分离。在早期发育过程中，integrins与细胞外基质间适当的相互作用起着极为重要的作用，就如同干细胞借助integrin依赖的信号途径维持细胞分裂和生存一样。
细胞外基质的构建需要几种重要的蛋白，其中就包括它的主要成分胶原蛋白。胶原蛋白在内质网合成后，依赖于COPII囊泡输送至细胞外，编码COPII蛋白的基因变异会导致胶原沉着缺陷、骨骼畸形和诸如CLSD等发育性疾病。
COPII囊泡包裹着一层由SAR1 GTPase， SEC23–SEC24接头蛋白（adaptor）组成的涂层，SEC13–SEC31四聚体组成最外层。这些涂层蛋白组装成直径约为60-80纳米的十四面体结构，但这对于需容纳的长度为300-400纳米的前胶原纤维而言无疑太小乐。因此细胞内的胶原输送必须有体外自组装反应缺少的因子参与。实际上，TANGO1 (MIA3)和它的配体cTAGE5是通过与胶原和SEC23–SEC24相互作用，将招募胶原到新生的COPII涂层的。在小鼠中敲除Tango1会导致与COPII18缺失相似的胶原沉着缺陷，人类TANGO1突变与早发性心肌梗死相关。然而科学家们并不了解TANGO1调控COPII涂层大小和使COPII涂层适应大货物的机制。
在这篇文章中，研究人员通过分析小鼠胚胎干(ES)细胞的细胞分裂，证实了CUL3–KLHL12是COPII涂层形成的调控因子。CUL3–KLHL12单泛素化SEC31，促进了大COPII涂层的形成。因此，CUL3–KLHL12泛素化是胶原输送的必要条件，对integrin依赖的小鼠ES细胞分裂起关键性的作用。研究人员由此得出结论单泛素化作用调控了COPII囊泡的大小和功能。
在这篇文章中，研究人员证实了CUL3–KLHL12是胶原输送的关键调控因子，对小鼠ES细胞分裂起关键性作用。敲除小鼠的Cul3会引起错乱的组织生成导致早期胚胎致死。此外，KLHL12已被确定为是结缔组织疾病Sjogren综合征的一种自身抗原，表明CUL3–KLHL12功能异常可能与疾病相关。
CUL3–KLHL12单泛素化SEC31，促进了可容纳不同寻常形态货物的大COPII涂层形成。因此，CUL3是前胶原纤维分泌的必要条件，而非fibronectin， EGF receptor 或 integrin β1小分子输送所必需。因此，CUL3–KLHL12看起来主要作用是参与COPII以来的大货物运输。
泛素化如何影响COPII涂层大小或结构还并不清楚。SEC31第65位点赖氨酸残基并非CUL3–KLHL12所必需，表明CUL3可以靶向其他的赖氨酸残基如果原位点被阻断。因此，如果SEC31泛素化作用发挥了结构功能，那么就只有少量的泛素化的分子满足生成大的COPII涂层，因此这些囊泡必须能够接受相当大的修饰位点变化。此外，由于通常与单泛素化的蛋白质一起，修饰的SEC31可能招募了延迟COPII芽殖的效应器或是促进了涂层聚合作用。由于CUL3–KLHL12泛素化其他蛋白，SEC31也许并不是分泌信号通路的唯一底物。鉴别全套CUL3–KLHL12底物和潜在的效应器分子应该可以揭示泛素依赖的囊泡大小的调节机制。
这项工作提供了关于蛋白输送中的一个关键事件的新数据，而蛋白输送则是有可能为治疗方法所利用的一个细胞功能。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature10822
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PMID:
Ubiquitin-dependent regulation of COPII coat size and function
Lingyan Jin, Kanika Bajaj Pahuja, Katherine E. Wickliffe, Amita Gorur, Christine Baumgärtel, Randy Schekman & Michael Rape
Packaging of proteins from the endoplasmic reticulum into COPII vesicles is essential for secretion. In cells, most COPII vesicles are approximately 60–80 nm in diameter, yet some must increase their size to accommodate 300–400 nm procollagen fibres or chylomicrons. Impaired COPII function results in collagen deposition defects, cranio-lenticulo-sutural dysplasia, or chylomicron retention disease, but mechanisms to enlarge COPII coats have remained elusive. Here, we identified the ubiquitin ligase CUL3–KLHL12 as a regulator of COPII coat formation. CUL3–KLHL12 catalyses the monoubiquitylation of the COPII-component SEC31 and drives the assembly of large COPII coats. As a result, ubiquitylation by CUL3–KLHL12 is essential for collagen export, yet less important for the transport of small cargo. We conclude that monoubiquitylation controls the size and function of a vesicle coat.
