长篇鬼故事 - snare Nature：改写教科书！揭示SNARE蛋白协助细胞间和细胞内沟通新机制

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威斯康辛大学神经科学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员爱德华·切普曼通过谷歌搜索“陷阱蛋白质”，获得了螺旋分子的全屏结构图。当这些蛋白质抓住两个细胞的外膜时，它们就纠缠在一起了。他说:“现在，我们已经证明这个结构模型是错误的。教科书需要调整。”

图片来自《自然》，doi:10.1038/nature25481。

SNARE蛋白产生“融合孔”，允许化合物通过分离细胞或细胞内亚组分的膜。SNARE在所有有核的生物(从许多单细胞生物到植物、动物和人类)中产生融合孔。查普曼说，这些融合孔和产生它们的SNARE蛋白可能在10亿年前进化而来。这意味着这些融合孔的结构和功能在生物学中起着重要的作用。

他说:“有些人认为细胞是一袋原生质，但实际上它包含数百或数千个细胞器，每个细胞器都被膜包围。所有这些细胞器都包含或处理各种物质，并对无数信号做出反应。为了排泄或摄取物质，这些细胞器需要在膜上形成融合孔。”

按照传统观点，融合孔形成时，SNARE蛋白通过类似拉链的作用锁定在原位，从而创造出一个基本不会闭合的结构。也就是说，它们形成了一种管道，也就是一种“哑”的连接结构，穿过一层通常不透水的膜。

然而，现在查普曼的研究小组已经证实，这些融合孔的功能与管道不太相似，而更像是高度复杂、敏感和快速触发的阀门(每秒钟可以打开和关闭数千次)。相关研究结果于2018年1月31日在线发表在《自然》杂志上，标题为“决定新生融合孔性质的跨陷阱复合物的动力学和数量”。

查普曼说，“我们的研究表明，旧的观点——陷阱组装成一个复杂的，然后融合——是不正确的。相反，SNARE进行了拉链和拉开拉链，从而促进了这些融合孔在打开后的动态变化。”

这项新的研究是基于查普曼和他的同事设计的一种装置，这种装置可以第一次准确记录这个融合孔的打开和关闭时间。根据这个融合孔中SNARE蛋白的数量及其直径，他们发现融合孔可能几乎完全封闭。它可能会关闭，但大约每半秒钟就会打开一次。可能会适得其反。或者它可以模仿传统智慧，继续保持开放。

查普曼说:“融合孔具有意想不到的灵活性和意想不到的动态变化。它们总是被认为是开放的或封闭的。信号通过这些融合孔传递，或者不传递。然而，当我们在微秒时间尺度上研究它们时，我们观察到了一些意想不到的事情。当有三个SNARE蛋白时，它们打开很快，但大多数是关闭的。当有五个SNARE时，大部分时间都是打开的，但会短暂关闭。当有七个陷阱时，大多数都是打开的。”

查普曼说，如果没有这些融合孔引起的膜融合，细胞或其细胞器中产生的许多物质都会被截留。膜融合是有核生物(包括酵母)的一个基本问题。当人们认为人脑含有10到15个突触时，一天之内我们的大脑中就会形成无数个融合孔。直到现在我们才开始了解这些神秘的纳米级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穿过短间隙传递到另一个神经元进行信号转导的基础。融合孔也是生物学其他方面的基础，如饭后胰岛素释放、病毒侵入靶细胞等。

这一发现的关键是由论文的合著者、查普曼实验室的博士后研究人员环宝(Huan Bao)和德巴斯达斯(Debasis Das)在蒋以豪(ihao Jiang)和钱达(Baron Chanda)的帮助下构建的一个装置，该装置可以测量纯化组分产生的重组融合孔中的电流。

查普曼说:“欢和德巴斯可以精确测量单个人工融合孔的性质和行为。我们可以用前所未有的时间分辨率(不到千分之一秒)来测量聚变洞的开口。而且这些人在这些精确的测量方面领先于世界。”

查普曼说，在此之前，聚变孔的开口是在几秒钟内测量的，但更好的分辨率使目前的结果更加复杂和有趣。“我们要问的问题是，‘用于促进膜融合的SNARE数量会影响结果吗？’答案是肯定的，但细微的差别取决于融合孔中的SNARE数量，也可能取决于许多其他因素。"

查普曼说，其他允许分子和离子通过细胞膜的通道缺乏这种灵活性。“生物学本可以设计出一个融合孔，这个融合孔总是需要相同数量的陷阱才能形成，但事实并非如此。”

不言而喻，进化是基于效用来选择的，而这些共同的结构就是那些发挥好作用的结构。查普曼说，由于融合孔在所有有核的生物中都存在，“我们认为这对细胞之间的交流有着广泛的影响。”

查普曼说，融合孔结构和开放点之间关系的新复杂性指出了几个有趣的可能性。内含物融合孔的短暂“渗漏”可能使受体细胞对信号不敏感。例如，谷氨酸作为一种神经递质，通常会兴奋接受它的细胞。如果融合孔打开很快，少量的谷氨酸渗漏可能会使附近的受体细胞脱敏而不是激活，从而导致抑制而不是激活。查普曼说，“这看似矛盾，但却是经典兴奋性神经递质的新功能。”

查普曼承认，这个想法是有争议的，但类似的结果已经在输送肾上腺分泌物的融合孔中观察到。“分泌细胞受到低强度刺激时，融合孔非常小，只释放肾上腺素等小分子和类似激素。如果融合孔受到高强度刺激，就会打开，从而让更多的肽类激素释放出来，在外周神经系统中发挥不同的作用。因此，融合孔的大小决定了这些细胞的功能。”

查普曼补充说，这些融合井的结果如此令人惊讶，以至于评论者要求这些研究人员使用酵母SNARE进行“另一个完整的实验”。查普曼说:“我们发现了同样的结果。如果你改变蛋白质的量，那么你就改变了融合孔开口的性质。我们认为我们可能遇到了膜融合的新原理。如果融合孔很小，会有不同的物理结局，而不是向前扩展，立即释放所有信号。这甚至不是我们可以猜测的行为，直到我们测量这个时间分辨率，我们才能看到发生了什么。这不是全有或全无，是或否，这是逐渐变化的。”

他的结论是，这些结果可能有广泛的应用，因为融合孔无处不在。“这种调节几乎所有膜融合事件的蛋白质复合物的行为已被证明是相当智能的。这里的生物有些奇怪。这是一种更详细的相互沟通方式。”

原始来源:

跨陷阱复合物的动力学和数量决定初生融合孔的性质。《自然》，网上发布:2018年1月31日，doi:10.1038/nature25481