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實習醫生日記之頑固失眠

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Nature:從結構上揭示神經元同步釋放化學信號

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摘要:圖片來自年月日生物谷在一項新的研究中來自美國霍華德休斯醫學研究所的和同事們通過可視化觀察三種神經蛋白彼此間如何相互作用揭示出它們如何協助成群的腦細胞同步釋放化學信號一種類似的相互作用可能也在細胞如何分泌胰島素和氣道粘液中發揮著作用相關研究結果發表在年月日的
Nature:從結構上揭示神經元同步釋放化學信號
圖片來自Zhou et al./ Nature 2017。
2017年9月16日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中,來自美國霍華德-休斯醫學研究所(HHMI)的Axel Brunger和同事們通過可視化觀察三種神經蛋白彼此間如何相互作用,揭示出它們如何協助成群的腦細胞同步釋放化學信號。一種類似的相互作用可能也在細胞如何分泌胰島素和氣道粘液中發揮著作用。相關研究結果發表在2017年8月24日的Nature期刊上,論文標題為“The primed SNARE–complexin–synaptotagmin complex for neuronal exocytosis”。

這項研究描述了這三種蛋白之間的一種新的合作,并且為細胞分泌胰島素和氣道粘液等分子的其他過程提供新的認識。

當一群神經元接受到一種電信號,這些神經元在不到一千分之一秒的時間內幾乎同時地釋放被稱作神經遞質的化學物。神經元在被稱作突觸囊泡(synaptic vesicle)的氣泡狀結構中保持神經遞質。這些結構位于指向鄰近細胞的長又薄的神經突起的末端內。為了釋放神經遞質,神經元必須將突觸囊泡與神經突起的外膜融合在一起。這就打開突觸囊泡,將它們的內含物釋放到細胞之間的間隙中。這些化學信號隨后漂移到鄰近細胞中,從而實現信息接力傳遞。

科學家們已知三種蛋白參與釋放神經元中的化學信號。一組被稱作SNARE的蛋白為膜融合提供能量。當接觸一種電信號之后,鈣離子出現時,另一種被稱作突觸結合蛋白(synaptotagmin)的蛋白釋放神經遞質。第三種被稱作complexin的蛋白阻止細胞自動地釋放神經遞質。突觸結合蛋白和complexin都與SNARE蛋白相互作用,但是在此之前,科學家們不能夠解釋這三種蛋白如何在一起發揮作用。

在這項新的研究中,Brunger團隊合成出這三種蛋白中的每種蛋白的部分片段,允許它們組裝成一種復合體,并且誘導這種復合體形成晶體。他們隨后利用X射線晶體衍射技術,解析出這種復合體的結構。

這種晶體結構揭示出這些蛋白相互作用的兩種方式。突觸結合蛋白和SNARE蛋白之間的第一種相互作用與Brunger和同事們在2015年發表在Nature期刊上的一篇論文(Nature, 2015, doi:10.1038/nature14975)中描述的完全一樣。第二種意料之外的相互作用揭示出在這種復合體中的三種組分之間存在關聯。

在這種三組分相互作用中,complexin蛋白的一個卷曲螺旋位于突觸結合蛋白的一個螺旋附近,這種布置使得這些螺旋像螺釘的螺紋那樣對齊。這些螺旋也位于SNARE蛋白的螺旋的頂端。

通過與HHMI研究員Thomas Südhof合作,這些研究人員對小鼠神經元進行改造,從而產生突變的突觸結合蛋白,這種突變會削弱這三種蛋白之間的相互作用。攜帶著突變蛋白的神經元,或者缺乏complexin蛋白的神經元,不能夠同步釋放神經遞質。

基于這些觀察結果,這些研究人員提出這種三組分相互作用鎖住SNARE蛋白,因此除非到了合適的時刻,它們不能夠執行神經遞質釋放所必需的膜融合。complexin蛋白將這三種蛋白別在一起,而且當遭受鈣離子觸發時,突觸結合蛋白可能解除對SNARE蛋白的鎖定。

Brunger說,“這種三組分相互作用直觀地解釋了這三種組分的作用。如今,我們能夠解釋complexin蛋白、突觸結合蛋白和SNARE蛋白之間的合作。”

哺乳動物細胞存在著60多種不同的SNARE蛋白,而且這些SNARE蛋白與多種形式的突觸結合蛋白一起參與激素釋放和其他的細胞過程。Brunger說,一種類似的涉及SNARE蛋白的三組分相互作用可能也被用于其他的鈣離子依賴性的細胞釋放過程中。(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

Qiangjun Zhou, Peng Zhou, Austin L. Wang et al. The primed SNARE–complexin–synaptotagmin complex for neuronal exocytosis. Nature, 24 August 2017, 548(7668):420–425, doi:10.1038/nature23484

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