近日，上海交通大学联合团队在《自然通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Asgard Arf GTPases can act as membrane-associating molecular switches with the potential to function in organelle biogenesis”的研究论文。该研究通过生物信息学、结构生物学、生物化学与细胞生物学等多学科交叉，揭示了Asgard古菌中存在一类Arf家族GTPase（AArfs），其具有作为膜相关分子开关的潜力，为理解真核细胞内复杂膜系统的进化起源提供了全新视角。论文共同第一作者为生命科学技术学院助理研究员朱婧、海洋学院博士生解瑞泽和Bio-X研究院博士生任巧盈。共同通讯作者包括生命科学技术学院谢志平研究员、海洋学院王风平教授、Bio-X研究院朱金伟研究员、海洋学院董良副研究员、生命科学技术学院龚清秋长聘教轨副教授和生命科学技术学院闫武鹏长聘教轨副教授。

真核生物区别于原核生物的核心特征之一是其复杂的内膜系统，但细胞器生物发生的精确机制尚不完全清楚。Asgard古菌被认为是真核生物的近亲，对其研究有助于揭示真核细胞的起源和细胞器的进化。在真核细胞中，Arf GTPase通过鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）和GTPase激活蛋白（GAP）调控其结合GTP/GDP后的构象变化，从而影响与膜的结合并招募下游效应蛋白（如COPI、COPII等），驱动膜向内出芽形成细胞器或运输囊泡。

本研究通过生物信息学分析，发现Asgard古菌中存在一类与真核细胞Arf GTPase结构和功能类似的蛋白质，命名为AArfs。细胞体内和体外的实验表明，AArfs能以GTP依赖的形式将N端两亲性螺旋结构域锚定到膜结构上，并调节细胞内膜系统的形态，引发内质网和高尔基体等细胞器的增殖。当与真核生物Arf调控因子（GEFs/GAPs）共表达时，AArfs不仅与这些调控因子发生亚细胞共定位，其膜结合形式也发生改变。进一步，免疫共沉淀与质谱结果表明，GTP结合的AArfs能特异性识别COPII囊泡核心组分Sec23，提示其可能通过招募下游效应蛋白调控膜动态。该研究为解析真核生物复杂内膜系统的进化起源提供了关键线索。AArfs或代表真核细胞器生成机制的进化起点，能够驱动细胞器膜形变，这也是真核生物进化过程中的关键一步，在长期进化过程中逐步演化形成现代真核细胞高度复杂的内膜网络系统。

本研究获得了国家自然科学基金（32270796、91754110）和上海市科学技术委员会（22ZR1433800）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57902-7