改写教科书!揭示SNARE蛋白协助细胞间和细胞内沟通新机制

2018-02-07 绿谷生物 Nature
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通过谷歌搜索“SNARE蛋白”,美国威斯康星大学麦迪逊分校神经科学教授、霍华德休斯医学研究所研究员Edward Chapman获得满屏的螺旋形分子的结构图。当这些蛋白抓住两个细胞的外膜时,它们缠绕在一起。他说,“如今,我们证实这种结构模型是错误的。需要对教科书进行调整。”

SNARE蛋白产生“融合孔(fusion pore)”,从而允许化合物穿过分隔细胞或细胞内亚组分的膜。SNARE在所有含有细胞核的有机体(从很多单细胞生物到植物、动物和人类)中产生融合孔。Chapman说,这些融合孔和产生它们的SNARE蛋白很可能在十亿年前就已进化出来。这意味着这些融合孔的结构和功能在生物学中发挥着至关重要的作用。

他说,“有些人认为细胞是一袋原生质,但实际上它含有数百或数千个细胞器,每个细胞器都被膜包围着。所有的这些细胞器含有或处理各种物质,并对无数的信号作出反应。为了排出或摄入物质,这些细胞器需要在膜上形成融合孔。”

根据传统观点,当融合孔形成时,SNARE蛋白通过一种类似拉链的作用锁定到位,从而产生一种基本上不会关闭的结构。也就是说,它们形成了一种管道,即穿过正常情形下不能够渗透的膜而形成一种的“哑(dumb)”连接结构。

但是,如今,Chapman研究团队证实这些融合孔的功能更少地类似于管道,而更多地类似于高度复杂的、灵敏的和快速触发的阀门(每秒能够打开和关闭数千次)。相关研究结果于2018年1月31日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Dynamics and number of trans-SNARE complexes determine nascent fusion pore properties”。


Chapman说,“我们的研究表明,旧有的观点---SNARE组装成复合物然后发生融合---是不正确的。相反,SNARE拉上拉链和解开拉链,从而促进这些融合孔在打开之后发生动态变化。”

这项新的研究是基于Chapman和他的同事设计的一种装置,它首次能够准确地记录这种融合孔打开和关闭的时间。根据SNARE蛋白在这种融合孔中的数量和它的直径,他们发现融合孔可能几乎完全关闭。它可能会关闭,但每隔半秒左右打开一次。它可能会做相反的事情。或者它可能模仿传统智慧,并持续地保持打开状态。

Chapman说,“融合孔具有意想不到的灵活性和意想不到的动态变化。它们一直被认为是打开的或关闭的。信号通过这些融合孔进行传递,或者不会传递。但是,当我们在微秒的时间尺度上研究它们时,我们观察到了一些意想不到的东西。当存在三个SNARE蛋白时,它们快速地打开,但大多关闭的。当存在五个SNARE时,它们在大部分时间里是打开的,但会短暂地关闭。当存在七个SNARE时,它们大多是开放的。”

Chapman说,如果没有这些融合孔导致的膜融合,那么细胞或它的细胞器中产生的很多物质将被困住。膜融合是具有细胞核的有机体(包括酵母)的一个基本问题。当人们认为人类的大脑含有10到15个突触时,一天内数不清的融合孔就会在我们的大脑中形成。仅到现在我们才开始理解这些神秘的纳米尺度的分子机器的结构和动力学性质。”

在神经系统中,融合孔是将化学信息从一个神经元的轴突跨过一个短暂的间隙转运到另一个神经元中进行信号转导的基础。融合孔也是生物学其他方面的基础,如餐后的胰岛素释放,病毒入侵靶细胞。

这项发现的关键是论文共同作者、Chapman实验室博士后研究员Huan Bao和Debasis Das在Yihao Jiang和Baron Chanda的帮助下构建出的一种装置,它能够测量由纯化的组分产生的重组融合孔中的电流流动。

Chapman说,“Huan和Debasis能够准确测量单个人工融合孔的性质和行为。我们能够以前所未有的时间分辨率(小于千分之一秒)测量融合孔的打开。而且这些人在这些精密的测量方面领先于世界。”

Chapman说,在此之前,这种融合孔打开是在几秒钟内测量的,但更好的分辨率使当前的结果更加复杂和令人关注。“我们要问的问题是,‘用来促进膜融合的SNARE数量影响结果吗?’答案是肯定的,但是存在的细微差别取决于融合孔中的SNARE数量,而且可能也取决于很多其他的因素。”

Chapman说,其他的让分子和离子通过细胞膜的通道缺乏这种灵活性。“生物学本来可以设计总是由需要相同数量的SNARE形成的融合孔,但是它没有。”

不言自明的是,这是进化基于效用进行选择的,而所产生的这些常见的结构就是那些发挥良好作用的结构。Chapman说,鉴于融合孔在所有具有细胞核的有机体中发现到,“我们认为这对细胞之间的沟通产生广泛的影响。”

Chapman说,融合孔结构和打开点之间的关系存在的这种新的复杂性指出了几个引人关注的可能性。短暂地“泄漏”内含物的融合孔可能让受体细胞对信号不敏感。比如,作为一种神经递质,谷氨酸在正常情形下激发接受它的细胞。如果融合孔快速地打开,那么谷氨酸少量地泄漏可能让附近的受体细胞脱敏,而不是激活它,从而导致抑制,而不是激活。Chapman说,“这似乎是自相矛盾的,但这对经典的兴奋性神经递质来说是一种新的功能。” 

Chapman承认这个想法是有争议的,但在转运肾上腺分泌物的融合孔中观察到类似的结果。“当分泌细胞受到低强度刺激时,融合孔很小,仅肾上腺素和类似的激素等小分子被释放。如果融合孔受到高强度刺激,那么它将打开,从而允许释放更大的肽类激素释放,这些肽类激素在外周神经系统中起着截然不同的作用。因此融合孔的大小决定了这些细胞的功能。”

Chapman补充道,这些融合孔的研究结果是如此令人吃惊以至于评审者要求这些研究人员利用酵母SNARE开展“另外一项完整的实验”。Chapman说,“我们发现了同样的结果。如果你改变蛋白的数量,那么你就改变这种融合孔打开的性质。我们认为我们可能遇到了一种膜融合的新原则。如果融合孔很小,那么就会有一个不同的物理结局,而不是起向前扩大,马上释放全部信号。这甚至不是我们能够猜测的行为,直到我们实现这种时间分辨率的测量,这才让我们看到到底发生了什么。这并不是全有或全无,是或不是,它是逐渐变化的。”

他作出结论,这些结果可能会具有广泛的应用,这是因为融合孔是无处不在的。“这种调节几乎所有膜融合事件的蛋白复合物的行为经证实是相当聪明的。生物学在这里出现了一些奇怪的东西。这是一种更为细致的进行彼此交流的方式。”

参考资料:

Huan Bao, Debasis Das, Nicholas A. Courtney et al. Dynamics and number of trans-SNARE complexes determine nascent fusion pore propertiesNature, Published online: 31 January 2018, doi:10.1038/nature25481