Science | 为什么我们能够思考、记忆和感知？科学家首次揭示神经递质运输的分子机器

文摘 2024-11-07 23:37 美国

神经细胞之间是如何传递信息的？

在我们的大脑中，大约有860亿个神经元在不停地"交谈"，它们通过被称为"突触"的特殊结构相互联系。每当我们思考、记忆、感知时，都有数以万计的信息在神经元之间传递。这种信息传递依赖于一个个微小的"信息包裹"——突触囊泡，它们装载着神经递质，就像是神经元之间的"信使"。

但是，这些"信息包裹"是如何被装载的呢？这就要提到突触囊泡中一个关键的分子机器——V-ATPase。它就像是一台微型的"质子泵"，通过消耗ATP产生的能量，将氢离子泵入囊泡，从而驱动神经递质的装载。然而，由于突触囊泡实在太小（直径仅有40纳米），科学家们一直难以在天然状态下观察到这台分子机器的精确结构和工作方式。

加拿大多伦多病童医院等研究团队在 Science 期刊发表了一篇题为《天然突触囊泡中V-ATPase的高分辨率冷冻电镜结构》的研究论文。研究团队首次在接近原子水平观察到了突触囊泡中V-ATPase（一种质子泵）的高分辨率结构，揭示了其与突触体蛋白的相互作用以及在神经递质运输过程中的调控机制。

研究团队利用来自军团菌的SidK蛋白作为分子探针，从大鼠大脑中分离出突触囊泡。通过质谱分析确认样品的组分，并利用冷冻电镜技术对囊泡中的V-ATPase复合物进行高分辨率成像和结构分析。同时，通过荧光淬灭实验验证了突触囊泡的功能活性。

突触囊泡成分分离与组分确认

质谱分析表明，通过SidK蛋白介导的亲和纯化得到的囊泡富含多种突触囊泡标志物，包括神经递质转运体VGLUT1、VGLUT2、突触囊泡糖蛋白2A、2B、2C等。这些囊泡没有溶酶体标志物的富集，证实获得的确实是纯化的突触囊泡。通过荧光淬灭实验，研究人员验证了这些囊泡具有ATP依赖的酸化功能。实验显示，当加入ATP后，囊泡内腔发生酸化，导致ACMA荧光淬灭；而预先加入特异性抑制剂bafilomycin A1则完全抑制这一过程。

V-ATPase复合物精细结构解析

冷冻电镜观察揭示了直径约40nm的突触囊泡上分布着多个V-ATPase复合物，单个囊泡上最多可观察到7个。研究人员获得了三种主要构象状态的结构：状态1的分辨率为3.6Å（约29%）、状态2为3.9Å（约25%）、状态3为3.5Å（约46%）。通过局部优化，V1和VO区域的分辨率分别提高到3.2Å和3.8Å，局部分辨率范围分别为5.2-2.4Å和4.6-2.4Å。这些高分辨率的结构为后续的原子模型构建提供了基础。

胆固醇分子规律排布

电镜密度图显示，在突触囊泡膜的内层，V-ATPase的质子传导c-环周围存在规律排列的胆固醇分子。这种发现在此前使用去垢剂的研究中从未观察到。这些胆固醇分子的位置会阻碍c-环的旋转，提示在质子泵功能过程中，胆固醇分子可能需要不断结合和解离，为c-环的旋转提供"润滑"作用。

突触体蛋白与V-ATPase的特异结合

结构分析揭示了突触体蛋白与V-ATPase形成了化学计量比为1:1的稳定复合物。这种相互作用涉及多个特异性位点：突触体蛋白的His72、Gln73、Tyr75、Lys88、Phe90和Asp94；质子传导亚基a1的Arg482和Glu492；亚基e2的Arg77、Phe78、Leu79和Glu81；以及亚基f的Pro55和Tyr59。这种结合模式在V-ATPase的所有旋转状态中都保持稳定。

ATP介导的V-ATPase解离机制

研究发现，当突触囊泡暴露于ATP和谷氨酸的环境中时，约37%的V-ATPase发生了V1与VO组分的解离。这一现象通过电镜分类分析和Western blot两种独立方法得到验证。进一步研究表明，ATP单独处理就足以诱导V1的解离，而单独的谷氨酸处理则不会导致解离。将囊泡与不同浓度的谷氨酸（0-15 mM）孵育时，随着谷氨酸浓度增加，荧光淬灭程度降低，表明VGLUT消耗了部分质子动力用于产生跨膜谷氨酸梯度。这些发现揭示了ATP水解本身就足以触发V-ATPase的解离，这可能是调控神经递质装载的重要机制。

总结

这项研究首次在天然突触囊泡膜中揭示了V-ATPase的高分辨率结构，发现了其与突触体蛋白的相互作用，并阐明了ATP驱动的V-ATPase解离机制。特别重要的是，这项研究首次在不使用去垢剂等破坏性试剂的情况下，在天然膜环境中观察到了V-ATPase与突触体蛋白的相互作用。这些发现为理解神经递质的运输和释放提供了重要的结构基础，对于相关疾病的治疗具有潜在的指导意义。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5577

撰文｜Coral

责编｜Asher

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