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生命快訊
我院科研人員在神經元胞吐-胞吞的偶聯平衡機製方麵取得重大進展
發布日期: 2022-05-12 來源: 瀏覽次數:

 

突觸傳遞是神經元之間進行信息交流的基本方式,神經元的興奮信息以不同的動作電位發放模式進行編碼,動作電位到達突觸前膜引起突觸前膜去極化,Ca2+內流,進而觸發囊泡融合(胞吐)與神經遞質分泌。胞吐之後,網格蛋白介導的胞吞(clathrin-mediated endocytosis, CME)、巨胞吞(bulk endocytosis)等多種胞吞模式協同作用與胞吐過程緊密偶聯,以實現囊泡膜成分與膜蛋白的快速回收和再利用,這對維持細胞膜的動態平衡與神經遞質的可持續分泌至關重要。作為觸發囊泡與質膜融合的信號分子,大量研究表明Ca2+還是觸發和加速胞吞的關鍵分子,仍有許多研究表明Ca2+還可抑製胞吞但其機製不明,這使得Ca2+對胞吞的調控作用備受爭議,成為本領域40年來的重要謎團。

突觸結合蛋白Synaptotagmin 1 (Syt1)作為起始囊泡融合的Ca2+感受蛋白與分子開關,與Complexin一起協同控製著SNARE蛋白複合體的構象變化,進而起始囊泡與質膜的融合。除響應Ca2+直接觸發囊泡分泌外,Syt1還參與了囊泡的錨定與激活過程,並可能通過與Stonin 2、AP-2等內吞蛋白的相互作用參與胞吞的調控過程。然而,Syt1如何響應Ca2+參與胞吐-胞吞的偶聯平衡調節,在不同神經興奮模式下不同胞吞模式之間如何轉換尚不清楚。

西安交大生命學院王昌河教授課題組係統研究了Syt1對胞吞過程的調控作用,首先采用對pH敏感的綠色熒光蛋白pHluorin標記突觸囊泡蛋白Synaptophysin(Syp-pH)對神經突觸的胞吐-胞吞過程進行實時成像(圖1),發現Syt1對胞吞過程具有雙相調控作用,可同時抑製快速相胞吞和促進慢速相胞吞,以確保胞吐-胞吞精密的偶聯與平衡。

說明: C:\ms\Ca-Endo\PNAS\Fig1 physin-pH-210420.jpg

圖1.突觸傳遞過程中Syt1對胞吞的雙向調控作用

為進一步研究Syt1對不同胞吞模式的調控作用,研究人員在神經元中表達Syp-pH來標記突觸囊泡(含分泌囊泡與內吞囊泡),通過dextran uptake標記內吞囊泡,采用超高分辨(40 nm分辨率)STED成像觀察內吞囊泡的大小和數量(圖2),發現Syt1可促進直徑較小的慢速相胞吞過程(CME)而抑製大直徑的快速相胞吞(巨胞吞)過程。同時,采用Syt1不同突變體對KD神經元的挽救實驗表明,Syt1 C2A和C2B結構域均可Ca2+依賴性地促進CME過程,但Syt1對巨胞吞的抑製作用嚴格依賴於C2B結構域與Ca2+的結合。

圖2 Syt1敲低促進大內吞囊泡的形成

研究人員通過體外脂質體形變實驗還發現,Syt1可Ca2+依賴性地促進脂質體生成脂質小管,但存在粗、細兩種不同的脂質體小管(圖3),而在無Ca2+條件下、或去除C2B結合Ca2+能力的突變體則隻能促使脂質體產生粗管,而不能產生細管,表明Syt蛋白可介導脂質體發生兩階段的“彎曲形變”,而C2B結構域與Ca2+的結合是Syt1促進粗管向細管轉變的關鍵所在,可能是促進巨胞吞模式向CME轉變的分子基礎。




圖3 Syt1介導脂質體的“兩階段”彎曲形變

綜上,該研究證明Syt1可作為Ca2+感受器在神經突觸中促進CME以確保高效的膜回收,同時抑製巨胞吞以防止過度胞吞(圖4),不僅發現Syt1對巨胞吞過程的抑製作用,還首次揭示了Ca2+對胞吞的抑製機製,終結了本領域長達40年之久的Ca2+對胞吐-胞吞偶聯平衡雙向調控的爭議,並提出兩階段膜重塑模型,為不同胞吞模式之間的轉換機製提供依據,並為其它膜融合與膜分裂事件的調控機製提供參考。

圖4 Syt1促進CME抑製巨胞吞作用模式圖

該研究成果以《突觸結合蛋白Syt1作為Ca2+感受器雙向調控神經元胞吞》(Synaptotagmin-1 is a bidirectional Ca2+sensor for neuronal endocytosis)為題在線發表在《美國科學院院報》(PNAS)上。乐动体育在线官网 生命學院王昌河教授、北京大學柴祖映博士和黃榮博士為本文的共同通訊作者。博士生陳洋、胡紹琴、吳軒昂和謝振麗為本文的共同第一作者。西南醫科大學康新江教授和徐華棟副教授等參與了該項研究,乐动体育在线官网 分析測試中心郝英工程師協助完成STED成像數據的采集,北京大學生命學院公共儀器平台胡迎春博士協助完成電鏡數據的采集。該研究得到國家自然科學基金、陝西省科技創新團隊項目、陝西省傑出青年基金、國家科技創新項目、四川省自然科學基金和中國博士後科學基金的資助。

原文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2111051119

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