揭示SNARE蛋白協助細胞間和細胞內溝通新機制

　　通過谷歌搜索“SNARE蛋白”，美國威斯康星大學麥迪遜分校神經科學教授、霍華德休斯醫學研究所研究員Edward Chapman獲得滿屏的螺旋形分子的結構圖。當這些蛋白抓住兩個細胞的外膜時，它們纏繞在一起。他說，“如今，我們證實這種結構模型是錯誤的。需要對教科書進行調整。”

　　SNARE蛋白產生“融合孔（fusion pore）”，從而允許化合物穿過分隔細胞或細胞內亞組分的膜。SNARE在所有含有細胞核的有機體（從很多單細胞生物到植物、動物和人類）中產生融合孔。Chapman說，這些融合孔和產生它們的SNARE蛋白很可能在十億年前就已進化出來。這意味著這些融合孔的結構和功能在生物學中發揮著至關重要的作用。

　　他說，“有些人認為細胞是一袋原生質，但實際上它含有數百或數千個細胞器，每個細胞器都被膜包圍著。所有的這些細胞器含有或處理各種物質，并對無數的信號作出反應。為了排出或攝入物質，這些細胞器需要在膜上形成融合孔。”

　　根據傳統觀點，當融合孔形成時，SNARE蛋白通過一種類似拉鏈的作用鎖定到位，從而產生一種基本上不會關閉的結構。也就是說，它們形成了一種管道，即穿過正常情形下不能夠滲透的膜而形成一種的“啞（dumb）”連接結構。

　　但是，如今，Chapman研究團隊證實這些融合孔的功能更少地類似于管道，而更多地類似于高度復雜的、靈敏的和快速觸發的閥門（每秒能夠打開和關閉數千次）。相關研究結果于2018年1月31日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Dynamics and number of trans-SNARE complexes determine nascent fusion pore properties”。

　　Chapman說，“我們的研究表明，舊有的觀點---SNARE組裝成復合物然后發生融合---是不正確的。相反，SNARE拉上拉鏈和解開拉鏈，從而促進這些融合孔在打開之后發生動態變化。”

　　這項新的研究是基于Chapman和他的同事設計的一種裝置，它首次能夠準確地記錄這種融合孔打開和關閉的時間。根據SNARE蛋白在這種融合孔中的數量和它的直徑，他們發現融合孔可能幾乎完全關閉。它可能會關閉，但每隔半秒左右打開一次。它可能會做相反的事情。或者它可能模仿傳統智慧，并持續地保持打開狀態。

　　Chapman說，“融合孔具有意想不到的靈活性和意想不到的動態變化。它們一直被認為是打開的或關閉的。信號通過這些融合孔進行傳遞，或者不會傳遞。但是，當我們在微秒的時間尺度上研究它們時，我們觀察到了一些意想不到的東西。當存在三個SNARE蛋白時，它們快速地打開，但大多關閉的。當存在五個SNARE時，它們在大部分時間里是打開的，但會短暫地關閉。當存在七個SNARE時，它們大多是開放的。”

　　Chapman說，如果沒有這些融合孔導致的膜融合，那么細胞或它的細胞器中產生的很多物質將被困住。膜融合是具有細胞核的有機體（包括酵母）的一個基本問題。當人們認為人類的大腦含有10到15個突觸時，一天內數不清的融合孔就會在我們的大腦中形成。僅到現在我們才開始理解這些神秘的納米尺度的分子機器的結構和動力學性質。”

　　在神經系統中，融合孔是將化學信息從一個神經元的軸突跨過一個短暫的間隙轉運到另一個神經元中進行信號轉導的基礎。融合孔也是生物學其他方面的基礎，如餐后的胰島素釋放，病毒入侵靶細胞。

　　這項發現的關鍵是論文共同作者、Chapman實驗室博士后研究員Huan Bao和Debasis Das在Yihao Jiang和Baron Chanda的幫助下構建出的一種裝置，它能夠測量由純化的組分產生的重組融合孔中的電流流動。

　　Chapman說，“Huan和Debasis能夠準確測量單個人工融合孔的性質和行為。我們能夠以前所未有的時間分辨率（小于千分之一秒）測量融合孔的打開。而且這些人在這些精密的測量方面領先于世界。”

　　Chapman說，在此之前，這種融合孔打開是在幾秒鐘內測量的，但更好的分辨率使當前的結果更加復雜和令人關注。“我們要問的問題是，‘用來促進膜融合的SNARE數量影響結果嗎？’答案是肯定的，但是存在的細微差別取決于融合孔中的SNARE數量，而且可能也取決于很多其他的因素。”

　　Chapman說，其他的讓分子和離子通過細胞膜的通道缺乏這種靈活性。“生物學本來可以設計總是由需要相同數量的SNARE形成的融合孔，但是它沒有。”

　　不言自明的是，這是進化基于效用進行選擇的，而所產生的這些常見的結構就是那些發揮良好作用的結構。Chapman說，鑒于融合孔在所有具有細胞核的有機體中發現到，“我們認為這對細胞之間的溝通產生廣泛的影響。”

　　Chapman說，融合孔結構和打開點之間的關系存在的這種新的復雜性指出了幾個引人關注的可能性。短暫地“泄漏”內含物的融合孔可能讓受體細胞對信號不敏感。比如，作為一種神經遞質，谷氨酸在正常情形下激發接受它的細胞。如果融合孔快速地打開，那么谷氨酸少量地泄漏可能讓附近的受體細胞脫敏，而不是激活它，從而導致抑制，而不是激活。Chapman說，“這似乎是自相矛盾的，但這對經典的興奮性神經遞質來說是一種新的功能。”

　　Chapman承認這個想法是有爭議的，但在轉運腎上腺分泌物的融合孔中觀察到類似的結果。“當分泌細胞受到低強度刺激時，融合孔很小，僅腎上腺素和類似的激素等小分子被釋放。如果融合孔受到高強度刺激，那么它將打開，從而允許釋放更大的肽類激素釋放，這些肽類激素在外周神經系統中起著截然不同的作用。因此融合孔的大小決定了這些細胞的功能。”

　　Chapman補充道，這些融合孔的研究結果是如此令人吃驚以至于評審者要求這些研究人員利用酵母SNARE開展“另外一項完整的實驗”。Chapman說，“我們發現了同樣的結果。如果你改變蛋白的數量，那么你就改變這種融合孔打開的性質。我們認為我們可能遇到了一種膜融合的新原則。如果融合孔很小，那么就會有一個不同的物理結局，而不是起向前擴大，馬上釋放全部信號。這甚至不是我們能夠猜測的行為，直到我們實現這種時間分辨率的測量，這才讓我們看到到底發生了什么。這并不是全有或全無，是或不是，它是逐漸變化的。”

　　他作出結論，這些結果可能會具有廣泛的應用，這是因為融合孔是無處不在的。“這種調節幾乎所有膜融合事件的蛋白復合物的行為經證實是相當聰明的。生物學在這里出現了一些奇怪的東西。這是一種更為細致的進行彼此交流的方式。”（