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【前沿进展】张明杰组报道相分离介导突触小泡定位到突触前膜活性区的机制

2020-11-18 16:55

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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突触（Synapse）作为神经元（Neuron）之间传递信号的化学结构，由突触前膜、突触间隙、突触后膜组成。神经递质（Neurotransmitter）包裹在突触小泡（Synaptic Vesicle，SV）中，经过栓系（Tethering）、对接（Docking），被定位到突触前膜活性区（Active Zone），再经过活化（Priming）过程，才可以响应动作电位（Action Potential），致使SV与突触前膜融合（Fusion）并实现神经递质的释放。活性区作为SV释放神经递质的位点，其重要性毋庸置疑，但是SV究竟如何定位到活性区却悬而未决。长期以来，多对分子层面的蛋白质-蛋白质相互作用被发现参与到SV的释放过程，而对磷脂膜和蛋白质之间的相互作用、亚细胞尺度的相互作用却鲜有研究。

已知SV在突触前膜大致分成3个亚群，其中最大的一群由synapsin维持在突触前膜远端，叫做储备池（Reserve Pool），它们只有被定位到活性区成为即刻可释放池（Readily Releasable Pool, RRP）才有机会被释放，另有一小亚群在两者之间穿梭，又称循环池（Recycling Pool）【1】。有意思的是，这3个亚群的SV并没有明确的形态学或分子组成的区别，其功能的差异性似乎是由其所处的位置决定的，而不同亚群的SV由不同蛋白质维持【2-5】。早前有报道指出，synapsin的相分离可以对储备池的SV起到维持作用【6】，那么RRP又怎样维持呢？

2019年1月17日，香港科技大学张明杰教授课题组在Molecular Cell上发表了题为RIM and RIM-BP form presynaptic active zone-like condensates via phase separation的研究论文【7】，揭示了由相分离介导的突触前膜活性区的组织方式，一改以往大家对活性区的认识。基于这种新的蛋白质相互作用网络的组织方式，SV与活性区的直接相互作用重新进入研究视野（详见BioArt报道：）。

2020年11月16日，张明杰教授课题组再次在Molecular Cell发表题为Vesicle tethering on the surface of phase separated active zone condensates的研究论文，直指SV在突触前膜活性区的定位机制。研究者发现，人工合成的小单层脂质体（Small Unilamellar Vesicle， SUV）和从大鼠脑中直接纯化的SV，都可以直接吸附到RIM和RIM-BP形成的蛋白质凝聚体上（图1A），而不是像synapsin那样，和SV形成共定位的凝聚体（图1B），提示活性区蛋白质凝聚体和synapsin的蛋白质凝聚体对SV有着不同的相互作用方式，很可能以此区分SV的身份。

图1 突触小泡覆盖在RIM/RIM-BP凝聚体表面（A）或者与synapsin形成共凝聚体（B）

研究者继而制备了巨型单层脂质体（Giant Unilamellar Vesicle, GUV）来模拟突触前膜，在体外实现了“SUV-RIM/RIM-BP凝聚体-GUV”的重构（图2），模拟了“突触小泡-活性区-突触前膜”的结构。

图2 “突触小泡-活性区-突触前膜”的体外重构

研究者进一步推测，synapsin和RIM/RIM-BP很有可能都通过相分离和SV产生联系，但是不同的作用方式导致了SV不同的定位效果。于是决定将synapsin，RIM/RIM-BP和SV混合在一起。令人惊讶的是，synapsin和RIM/RIM-BP的凝聚体并不融合，而是形成了synapsin凝聚体包裹着RIM/RIM-BP凝聚体的共凝聚状态，SV则选择和synapsin共定位，并覆盖环绕在RIM/RIM-BP凝聚体表面（图3）。

图3 synapsin-SV共凝聚体与SV覆盖的RIM/RIM-BP凝聚体互不相融

接下来研究者们决定再次引入GUV来模拟突触前膜，并成功实现了“synapsin/SUV共凝聚体-SUV覆盖的RIM/RIM-BP凝聚体-GUV”结构的体外重构（图4），模拟了整个突触结（synaptic bouton）的多层组织的结构特征：（1）由synapsin凝聚体维持的储备池；（2）由活性区凝聚体维持的RRP；（3）互不相融的synapsin和RIM/RIM-BP凝聚体以及以此区分的储备池与RRP；（4）直接贴附在突触前膜上的活性区。

图4 由相分离介导的突触结的体外重构

正如其中一位评审评价的那样：“The paper uses sophisticated experimental methods to put forward a model of presynaptic organization through phase separation. This is an attractive approach that provides further evidence that this important biochemical process (phase separation) may organize the nerve terminal and an entire synapse.” 综合张明杰教授实验室近年对突触后膜致密区、突触前膜活性区的其他研究【7-12】，这篇文章无疑为相分离介导整个突触的形成提供了又一力证。此外，该研究还发现了一种新的亚细胞结构之间的相互作用方式，这种由相分离介导的无膜细胞器、与典型的有膜细胞器之间的相互作用不仅存在于神经系统中，而且也应该存在于其他生命体系，所以该研究对整个细胞生物学的研究有着普适的意义（图5）。

图5 普遍存在的有膜和无膜细胞器之间的相互作用

香港科技大学张明杰教授为本文通讯作者，博士生吴先登为第一作者。该研究与德国马-普研究所著名神经科学家Reinhard Jahn教授合作完成，Marcelo Ganzella博士、周锦川博士、博士生朱仕瀚对该研究亦有贡献。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.10.029

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2.Pieribone, V. A. et al. Distinct pools of synaptic vesicles in neurotransmitter release. Nature 375, 493-497, doi:10.1038/375493a0 (1995).

3.Rosahl, T. W. et al. Essential functions of synapsins I and II in synaptic vesicle regulation. Nature 375, 488-493, doi:10.1038/375488a0 (1995).

4.Acuna, C., Liu, X. & Sudhof, T. C. How to Make an Active Zone: Unexpected Universal Functional Redundancy between RIMs and RIM-BPs. Neuron 91, 792-807, doi:10.1016/j.neuron.2016.07.042 (2016).

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