Science：新研究揭示V-ATPase在天然突触小泡中的三维结构

在一项新的研究中，来自多伦多病童医院和多伦多大学等研究机构的研究人员首次利用多伦多病童医院纳米生物医学成像设备的先进成像技术，揭示了神经元用于沟通的V型三磷酸腺苷酶（vesicular-type ATPase, V-ATPase）的原子结构。相关研究结果于2024年6月20日在线发表在Science期刊上，论文标题为“High-resolution electron cryomicroscopy of V-ATPase in native synaptic vesicles”。

所有的大脑活动，从记忆和情感到学习和运动控制，都是通过神经元之间的连接（即突触）之间的沟通实现的。当这种沟通不成功时，就会出现癫痫等多种疾病。神经元是一种专门通过向突触发送化学信号（称为神经递质）与其他细胞进行沟通的细胞。在大脑中，神经元之间有 100 万亿个突触。

对神经元沟通方式的研究已有数十年历史，但是这项新的研究展示了从数十万张高分辨率图像中提取的模型，从而以新的清晰度揭示了突触功能。

在论文通讯作者John Rubinstein博士和论文第一作者、Rubinstein实验室博士后研究员Claire Coupland博士的领导下，这些作者希望通过捕捉神经元释放化学物质的图像并建立模型，能够为新的治疗靶点提供信息，帮助改善对癫痫和其他神经疾病患儿的治疗。

神经元在沟通时，会向突触释放神经递质，将其传递给接收神经元。这些神经递质是从突触小泡（synaptic vesicle）中释放出来的。收到信息后，神经递质必须被重新吸收并重新包装到新的突触小泡中，以清除突触，为下一个信号腾出空间。为了促进这一过程，V-ATPase起到泵的作用，将神经递质驱动到突触小泡中。V-ATPase 还能调节突触小泡中的神经递质释放。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adp5577

在这项新的研究中，这些作者了解到 V-ATPase 控制突触小泡释放神经递质过程的方式是在突触小泡被装载后自发分解。他们发现：当在突触小泡中填充神经递质时，V-ATPase会分裂成两部分，然后允许神经递质释放。

接着，他们利用新型生化方法和新型成像方法，分离出了突触小泡并获得了它们的图像。在此基础上，他们开发了新的计算方法来分析这些图像，从而以高分辨率显示突触小泡中的V-ATPase——这是以前从未做过的。

他们根据使用低温电子显微镜（cryo-EM）捕捉到的图像构建出V-ATPase的三维模型，这种方法可以在-196°C对样品进行成像。他们发现V-ATPase 与突触小泡的多个成分相互作用，其中突触小泡中含有许多参与神经递质释放的蛋白和脂质。

最令人吃惊的是，他们发现V-ATPase与一种叫做突触素（synaptophysin）的蛋白相互作用。按重量计算，突触素是最丰富的突触小泡蛋白。但在此之前，人们还不了解它在神经元中的功能。这项新研究的发现表明，突触素可能有助于在突触小泡最初形成时招募V-ATPase。

鉴于发现 V-ATPase 与突触小泡中的突触素相互作用，这些作者正在与多伦多病童医院神经科学与心理健康项目的高级科学家Lu-Yang Wang博士合作，以了解这种相互作用在大脑中的作用。他们还想了解突触小泡的装载如何导致V-ATPase自我分解，以及这一过程如何控制神经元释放神经递质。在未来，这一过程可能成为许多健康问题（包括某些癫痫）的治疗靶点。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Claire E. Coupland et al. High-resolution electron cryomicroscopy of V-ATPase in native synaptic vesicles. Science, 2024, doi:10.1126/science.adp5577.