Structure and topography of the synaptic V-ATPase-synaptophysin complex

背景知识

Synaptophysin是神经突触小泡表面最为丰富的蛋白，广泛用作突触小泡的标志物，但其生物学功能仍不明确。在Synaptophysin基因敲除后，其多种同源物的表达量上调并代偿功能，这使得对其功能的研究变得困难。

研究方法与实验设计

本研究中发现，Synaptophysin基因敲除小鼠在卡因酸诱导的癫痫中表现出高度易感性和更严重的后果。为了探究这一表型的分子机制，研究者利用冷冻电子断层技术（cryo-ET）统计了野生型和Synaptophysin基因敲除型小鼠突触小泡的形态及V-ATPase分布特征。

实验结果

尽管野生型和敲除型小鼠的突触小泡形态相似，但在Synaptophysin基因敲除后，突触小泡上V-ATPase的平均拷贝数显著增加。过多的V-ATPase拷贝数可能会加剧突触小泡对氢离子的渗透性，从而影响神经递质的装载，导致突触小泡功能异常。

基于冷冻电子断层结果的统计分析表明，V-ATPase整合到突触小泡是一个随机过程。在野生型突触小泡中，V-ATPase与Synaptophysin的相互作用会增加复合物的尺寸，并限制其对膜曲率的选择性。此外，Synaptophysin还可以与Synaptobrevin寡聚形成更大的复合物，进一步增加V-ATPase相关复合体的尺寸。这些由Synaptophysin介导的相互作用会增加突触小泡表面分子的拥挤程度，从而限制V-ATPase的随机插入，实现对突触小泡上V-ATPase拷贝数的调控。

关键结论

综上所述，这项研究揭示了神经突触小泡上Synaptophysin与V-ATPase的相互作用机制，表明Synaptophysin通过对突触小泡上V-ATPase的数量调控，进而影响突触小泡的生成和功能。本研究综合利用冷冻电子断层技术和单颗粒三维重构技术，在提供高分辨的结构信息的同时获取其拓扑分布特征，为深入研究亚细胞结构和功能调控提供了新的思路和方法。