囊泡運輸是真核細胞膜系統（endomembrane system）的核心物流機制。2013 年諾貝爾生理學或醫學獎頒給 James Rothman、Randy Schekman 和 Thomas Südhof，分別表彰他們對 SNARE 融合機制、sec 突變體遺傳學和突觸囊泡釋放調控的里程碑貢獻。
被覆蛋白的結構生物學與貨物選擇
COPII 被覆的組裝始於 ER 膜上的 Sar1 GTPase：Sec12（GEF）催化 Sar1 的 GDP→GTP 交換，活化的 Sar1-GTP 將其 N 端的兩親性 α-螺旋插入膜中引發初始彎曲。隨後 Sec23/24 異二聚體作為內層被覆結合 Sar1 並辨識貨物的 ER 輸出信號（如二酸性基序 DxE、疏水性基序）。Sec13/31 異四聚體構成外層籠架（cuboctahedron 幾何結構），Sec31 的彈性鉸鏈區允許適應不同大小的貨物——巨型貨物如 procollagen（300 nm 纖維）需要 TANGO1 和 cTAGE5 介導的特化 COPII 囊泡。
Clathrin 的結構解析（Fotin et al., 2004, Nature）揭示 triskelion 的三條重鏈各含 proximal leg、distal leg 和 terminal domain，自組裝為由六邊形和五邊形組成的多面體（類似足球的拓撲結構，遵循 Euler 公式 V-E+F=2，需恰好 12 個五邊形）。Dynamin GTPase 在被覆凹陷（coated pit）的頸部形成螺旋聚合體，GTP 水解驅動構象變化完成膜分裂——這一機制由 Bhatt 等人的 cryo-EM 結構（2015, Nature）在原子層面上闡明。
SNARE 介導融合的生物物理機制
SNARE 複合體的晶體結構（Sutton et al., 1998, Nature）顯示四條平行的 α-螺旋形成極穩定的 coiled-coil 束，從 N 端向 C 端（膜錨定端）「拉鍊式」組裝（zippering）。單分子力學實驗（Li et al., 2007, Nature Structural & Molecular Biology）測得單個 SNARE 複合體可產生 ~35 kBT 的自由能，足以克服膜融合的 ~40 kBT 能障（考慮到生理條件下 3-7 個 SNARE 複合體協同作用）。
Munc18 和 Munc13 是 SNARE 組裝的關鍵調控因子。Munc18 以 clasp 模式鎖住 syntaxin 的封閉構象，防止過早融合；Munc13 的 MUN 結構域催化 syntaxin 開放並促進 trans-SNARE 複合體形成。Synaptotagmin-1 是 Ca²⁺ 感測器，其 C2A 和 C2B 結構域在 Ca²⁺ 結合後插入膜中，加速最後的融合步驟——從 Ca²⁺ 進入到囊泡融合僅需 ~0.2 ms，是已知最快的 Ca²⁺ 觸發生物反應之一。
Rab GTPase 級聯與膜身份
~60 種人類 Rab GTPase 各定位於特定膜區室，透過 Rab 級聯（Rab cascade）機制建立膜的分子身份。典型範例：早期內體上的 Rab5 招募 Mon1-Ccz1 複合體（Rab7 的 GEF），Mon1-Ccz1 同時作為 Rab5 的效應因子和 Rab7 的活化因子，實現從早期內體到晚期內體的 Rab 轉換（Rab conversion, Rink et al., 2005, Cell）。這種自我組織的級聯機制提供了膜區室成熟的分子時鐘。
品質管控與疾病
除 I-cell disease 外，Hermansky-Pudlak 症候群涉及 BLOC 複合體（biogenesis of lysosome-related organelles complex）缺陷，導致黑色素體和血小板緻密顆粒等溶體相關胞器的囊泡運輸異常。Chédiak-Higashi 症候群則因 LYST/CHS1 蛋白突變導致溶體融合失調，形成巨大溶體。近年研究揭示 Parkinson 病的 LRRK2 激酶通過磷酸化 Rab 蛋白干擾囊泡運輸（Steger et al., 2017, eLife），連接了囊泡運輸缺陷與神經退化疾病。