Каждый раз, когда гормон высвобождается из клетки, каждый раз, когда нейротрансмиттер перескакивает через синапс, чтобы передать сообщение от одного нейрона к другому, клетка должна подвергаться экзоцитозу. Это процесс, ответственный за транспортировку клеточного содержимого через везикулы, инкапсулированные в липид, к мембране клеточной поверхности, а затем их включение или секрецию посредством слияния мембран. Понимание этой сотовой системы грузового транспорта принесло трем американцам Нобелевскую премию в 2013 году.
Теперь исследование под руководством Вэй Го, профессора биологии Школы искусств и наук Пенсильванского университета, определило ключевой механизм активации, который приводит к слиянию везикул с мембраной.
«Знание этапов этого процесса важно для многих физиологических процессов: эндокринологии, нейротрансмиссии, иммунного ответа», - сказал Го. «Это был фундаментальный вопрос клеточной биологии».
Работа опубликована в журнале Nature Communications. Пэн Юэ, бывший аспирант Пенсильванского университета, был ведущим автором исследования. Kunrong Mei, Shaoxiao Wang и Yueyao Zhu из лаборатории Го были соавторами, наряду с Yubo Zhang из Венского медицинского университета, Johannes Lesigang и Gang Dong..
Экзоцитоз включает в себя сложный танец белков, называемых SNARE, как v-SNARE, на везикуле, так и t-SNARES на «целевой» мембране, которой в данном исследовании является клеточная плазматическая мембрана. Взаимодействие v-SNARE и t-SNARE позволяет везикуле сливаться с мембраной, что является необходимым условием для выгрузки содержимого везикулы.
Большая часть исследований в этой области проводилась на дрожжевых клетках - модельной системе, обычно используемой при изучении экзоцитоза. Известно, что комплекс SNARE у дрожжей образуется между двумя t-SNARE, которые вместе образуют комплекс с одним v-SNARE. Но до того, как это произойдет, один из t-SNARE, синтаксин, имеет тенденцию формировать так называемую автоингибирующую конформацию, по сути, закрытую дверь, которая блокирует его взаимодействие с другим t-SNARE. Гуо и его коллеги попытались выяснить, как именно открывается эта «дверь», позволяющая комплексу SNARE полностью собраться, позволяя везикулам сливаться с плазматической мембраной..
«Это самоторможение является большим барьером для клетки, - сказал Гуо, - и если вы думаете о таком процессе, как секреция гормона, которая происходит за секунды, должно быть что-то, что ускоряет этот процесс». вдоль."
Го и его команде понадобились годы, чтобы разгадать эту загадку. Сначала они сосредоточились на экзоцисте, белковом комплексе, который привязывает везикулу к мембране до того, как произойдет слияние. После скрининга восьми субъединиц белкового комплекса экзоцисты, чтобы увидеть, взаимодействует ли какой-либо из них с синтаксином, ответственным за аутогибание, они обнаружили один, который взаимодействует: Sec3.
Когда исследователи смешали Sec3 с синтаксином, а затем добавили другой t-SNARE, с которым связывается синтаксин, они обнаружили, что это значительно ускоряет связывание. Они также обнаружили, что его взаимодействие было мимолетным; он действовал почти как фермент, катализируя реакцию, а затем удаляясь. Они также подтвердили, что Sec3 ускоряет слияние мембран с использованием химически реконструированной липидной системы.
Исследование кристаллической структуры взаимодействия позволило команде определить, что Sec3 был способен расслабить одну из альфа-спиралей в «шарнире» автоингибируемого t-SNARE, открывая его.
«После привязки к Sec3 самоторможение снимается», - сказал Гуо. «Затем быстро появляется другой t-SNARE, чтобы собрать комплекс SNARE».
Исследователи создали мутанты Sec3 и обнаружили, что полученные дрожжевые клетки неспособны должным образом завершить экзоцитоз. Везикулы, предназначенные для плазматической мембраны, вместо этого накапливаются внутри клетки.
Кроме того, исследователи определили, что одна часть Sec3 отвечает за слияние, а другая часть участвует в стыковке везикул. Мутации различных доменов Sec3 приводили к тому или иному дефекту.
В своей будущей работе лаборатория Гуо намерена исследовать, как другие субъединицы экзоцисты функционируют при слиянии мембран, и продвинуться на один шаг глубже, чтобы понять, как Sec3 контролируется, чтобы начать процесс слияния.