突触囊泡是含有神经递质的小细胞器，具有精确定义的蛋白质和脂质组成。虽然人们对突触囊泡的组成有所了解，但其生物发生的分子机制仍然不清楚。突触囊泡中的V-ATPase是一个ATP依赖的质子泵，负责建立质子梯度，从而驱动神经递质的摄取。突触相关蛋白（Synaptophysin）是突触囊泡中的一种主要蛋白，其具体功能尚未明确。
图1. 相关研究
基于此，来自斯坦福大学的Axel T. Brunger联合北京大学郭强团队研究通过对小鼠大脑中分离的功能性突触囊泡进行原位冷冻电子断层扫描和单颗粒冷冻电子显微镜分析，揭示了突触囊泡V-ATPase和突触相关蛋白之间的界面。研究表明，突触相关蛋白不会改变V-ATPase的构象，但会显著影响其在突触小泡中的拷贝数量，这表明其在囊泡生物发生中起作用。此外，突触相关蛋白敲除小鼠表现出增加的癫痫易感性，将这种相互作用与神经递质释放调节联系起来。该研究增强了对突触小泡结构及突触功能中突触相关蛋白生理影响的理解。该研究于近日以Structure and topography of the synaptic V-ATPase–synaptophysin complex为题发表于Nature杂志。 图2. V-ATPase结构（源自nature） 主要发现 V-ATPase 和 突触相关蛋白的相互作用：研究通过原位冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和单颗粒冷冻电子显微镜（SPA）揭示了突触小泡中V-ATPase和突触相关蛋白之间的明确界面。 V-ATPase的完整结构包括V0和V1两个域，前者为质子泵，后者催化ATP水解。在突触小泡中，V-ATPase的结构和功能主要由这些亚基的相互作用决定。研究发现，尽管突触相关蛋白的存在不会改变V-ATPase的构象，但它显著影响V-ATPase的拷贝数量。这表明突触相关蛋白在突触小泡的生物发生中起重要作用。 突触相关蛋白敲除的影响：通过研究突触相关蛋白敲除小鼠（Syp-/-），研究人员发现这些小鼠的突触小泡中V-ATPase的拷贝数量显著增加。突触相关蛋白敲除小鼠表现出严重的癫痫易感性，这表明突触相关蛋白缺失导致了神经递质释放的不平衡，从而引发了生理上的显著变化。 冷冻电子显微镜数据分析：在52个冷冻电子断层扫描的断层图中，研究人员观察到了完整的和仅含V0域的V-ATPase组装体。子断层平均和分类结果显示完整V-ATPase的三种状态，分辨率约为17Å，对应转子子复合体之间约120度的旋转。观察到一个额外的密度，足以容纳一个约20 kDa的蛋白质，表明这种额外的密度仅在突触小泡的背景下存在。 验证突触相关蛋白的身份：使用AlphaFold2预测的所有突触蛋白模型与实验数据进行拟合，确定突触相关蛋白为V-ATPase的结合伙伴。利用Western blot分析，验证了突触相关蛋白在突触小泡中的存在及其与V-ATPase的相互作用。 生理影响的进一步探讨：突触相关蛋白敲除小鼠在注射卡因酸后表现出显著的癫痫易感性和更高的死亡率，表明突触相关蛋白在调节神经递质释放方面具有重要作用。研究显示，在野生型突触小泡中，V-ATPase和突触相关蛋白的相互作用有助于稳定小泡的结构和功能。 总结 这项研究通过结合原位冷冻电子断层扫描和单颗粒冷冻电子显微镜，详细揭示了突触小泡中V-ATPase和突触相关蛋白的相互作用。这种相互作用不仅在分子结构上影响了V-ATPase的拷贝数量，还在生理上对神经递质的释放和癫痫易感性产生了显著影响，为理解突触小泡的生物发生和功能提供了新的见解。 原文链接： Wang, C., Jiang, W., Leitz, J. et al. Structure and topography of the synaptic V-ATPase–synaptophysin complex. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07610-x
