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Nat Comm | 刘聪课题组揭示脂质分子质膜相分离调控蛋白结构与功能

发布时间: 2020-05-16 11:39:29    浏览次数:935

细胞内环境复杂,存在着多种有膜及无膜细胞器、小分子及生物大分子。其中多糖、蛋白质以及核酸等生物大分子的浓度可达300 g/L【1】。因此大多数蛋白质是在拥挤及限域等复杂的细胞环境中行使其功能的。细胞内的微环境直接影响蛋白质的结构、稳定性、动力学性质和生理功能,尤其是对缺乏稳定三维结构的内在无序蛋白质。因此,在近生理的细胞环境中研究蛋白的分子结构,能更好的反映其三维结构及生理功能。近年来发展的细胞原位核磁共振波谱(in-cell NMR)技术已经成为一种有效的蛋白质原位分子结构研究技术手段【2,3】。其可以非损伤地获取细胞内特定蛋白质的动态结构及与其他分子相互作用的信息。

 

近期,中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉中心刘聪课题组与上海交通大学Bio-X研究院李丹课题组合作通过运用蛋白质的in-cell NMR方法,系统研究了突触小泡膜上的脂质分子局部相分离形成的微区(microdomain)决定突触小泡相关膜蛋白2(vesicle associated membraneprotein2, VAMP2)膜外无序区的动态三维结构,并进而调控其在SNARE复合体组装与神经递质传递中的生理功能。相关工作于本月发表在Nature Communications【4】。



神经细胞突触的神经递质释放依赖于突触小泡与突触前膜的融合。突触小泡膜上的VAMP2蛋白和突触前膜的syntaxin-1,及SNAP25蛋白相互识别并组装形成SNARE(N-乙酰马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体)复合体。VAMP2属于典型的内在无序蛋白质,其从酵母到哺乳动物细胞都具有高度保守的核心SNARE motif结构域。虽然对于VAMP2形成SNARE复合体的结构研究已非常细致, 但VAMP2在形成复合体之前的动态结构在领域内一直存在较大的争议【5,6】。本工作通过in-cell NMR技术首次观察到VAMP2的SNAREmotif直接结合到细胞内膜上。更为有趣的是,改变细胞内胆固醇的水平可以直接调控SNARE motif在细胞内结合膜的动态结构。


 

 

图1:In-cell NMR试验表明VAMP2在细胞内的构象受胞内胆固醇含量的直接调控 (Wang, C., etal. Nat. Commun., 2020)



进一步,通过结合脂质组学分析、in-solution NMR以及荧光单膜泡技术,研究者发现VAMP2的SNARE motif在突触小泡膜的不同脂质区域采取不同的构象。当VAMP2定位在突触小泡胆固醇富集的microdomain上时,其SNARE motif更偏向于无序结构,使其易于同syntaxin-1和SNAP25识别并组装形成SNARE complex。当VAMP2定位在突触小泡膜的非胆固醇富集区时,其SNARE motif更倾向于形成α-螺旋结构并结合在膜上,从而抑制其参与SNARE复合体组装。综上,这项工作通过运用in-cell NMR及其它技术手段系统研究了突触小泡膜上脂质分子相分离形成的microdomain精密调控VAMP2的结构以及其在SNARE组装中的功能。该工作为SNARE组装的脂质调控增加了新的空间维度,也给胆固醇代谢疾病引起的突触分泌异常提供了可能的机理解释,为脂代谢异常引起的神经系统疾病提供新的治疗靶点和技术方法。

 

另外,需要特别指出的是, 本工作还进一步表明,除了目前如火如荼进行的各种不同蛋白质相分离调控生物学过程的研究外,脂质分子在细胞及各种细胞器膜上的二维相分离对于调控直接插膜或膜表面结合蛋白的空间构象以及相应的生理功能起到了非常重要的调控作用。


 图2:VAMP2在突触小泡膜不同区域上的构象及其参与SNARE复合体组装的模型 (Wang, C., et al. Nat.Commun.,2020)

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15270-4

 

参考文献:

1. Cheung,M. C. et al. Intracellularprotein and nucleic acid measured in eightcell types using deep-ultraviolet massmapping. Cytometry Part A 83A,540-551 (2013).

2. Theillet, F.-X. et al.Structural disorderof monomeric α-synuclein persists inmammalian cells. Nature 530, 45-50 (2016).

3. Zhang,S., Wang, C., Lu, J., et al.In-Cell NMR study of tau and MARK2 phosphorylatedtau. Int J Mol Sci. 20, 90(2018).

4. Wang,C. et al. Different regions ofsynaptic vesicle membrane regulate VAMP2conformation for the SNARE assembly.Nat Commun. 11, 1531 (2020).

5. Ellena, J. F. et al. Dynamicstructure oflipid-bound synaptobrevin suggests a nucleation-propagationmechanism fortrans-SNARE complexformation. ProcNatl Acad Sci U. S. A.106, 20306-20311(2009).

6. Brewer, K. D., Li, W., Horne, B. E. &Rizo, J. Reluctance to membranebinding enables accessibility of the synaptobrevinSNARE motif for SNAREcomplex formation. ProcNatl Acad Sci U. S. A.108,12723-12728 (2011).


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