突触素屏蔽脂质单分子层免受囊泡相互作用及结构重排的影响

《Biophysical Journal》：Synapsin shields a lipid monolayer from interactions with vesicles and associated structural rearrangements

本研究针对突触前膜与囊泡自发融合的潜在风险，通过构建脂质单层体外模型，结合X射线反射率(XRR)和掠入射衍射(GID)技术，探究了突触素1(Syn1)对膜结构的调控作用。研究发现，Syn1预先孵育能显著抑制囊泡和Ca2+引起的脂质链间距收缩及单层结构扰动，揭示了Syn1在防止非SNARE蛋白介导的意外膜融合中可能发挥的“屏蔽保护”功能。

　　

在神经科学领域，突触是神经元之间信息传递的关键结构。突触前终端内充满了储存神经递质的突触囊泡(Synaptic Vesicles, SVs)，这些囊泡在神经信号到来时，会与突触前膜融合，释放神经递质，从而完成信息的传递。然而，在静息状态下，如何确保这些密集堆积的囊泡不会与突触前膜发生意外的、自发的融合，是一个至关重要的科学问题。突触素(Synapsin)是突触前终端中最丰富的蛋白质之一，尤其以其能够将突触囊泡招募并聚集形成突触囊泡簇(Synaptic Vesicle Cluster, SVC)而闻名。传统观点认为，突触素主要通过其与囊泡的相互作用来组织囊泡的储存和供应。但一个有趣且较少被探索的问题是：突触素是否也对突触前膜本身具有调控作用？它能否像一道“屏障”一样，保护突触前膜免受周围囊泡的意外干扰，从而维持突触的稳定性和信号传递的精确性？

为了回答这个问题，发表在《Biophysical Journal》上的这项研究，采用了一种精巧的体外最小化模型系统——朗缪尔脂质单层(Langmuir Monolayer)，来模拟突触前膜的内叶。研究人员通过精确控制单层脂质的组成和表面压力，并依次向单层下方的亚相中注入突触素1(Synapsin 1a, Syn1)、脂质囊泡(Lipid Vesicles, LVs)或从大鼠脑中纯化的突触囊泡(SVs)以及钙离子(Ca²⁺)，模拟了突触前环境的关键要素。他们利用同步辐射X射线技术，特别是X射线反射率(XRR)和掠入射衍射(GID)，实时监测了脂质单层在原子和分子尺度上的结构变化，例如脂质链的排列紧密程度（通过每个链所占面积A_c表征）和单层的电子密度剖面。

本研究主要运用了以下关键技术方法：利用朗缪尔膜天平系统制备并控制不同脂质组成（如DPPC/DPPS=1:1或DPPC/PIP₂=19:1）的单层膜表面压力；通过向亚相中顺序注射蛋白质（重组人源Syn1）、囊泡（合成脂质体LV或从大鼠脑组织纯化的SV）及CaCl₂来模拟生理事件；采用同步辐射X射线反射率(XRR)解析膜垂直方向的电子密度分布，并通过掠入射衍射(GID)测量脂酰链的二维晶格结构以获取链间距(A_c)和倾斜角(τ)等分子水平结构参数。

研究结果

1. 突触素1与脂质单层的相互作用

研究人员首先观察了Syn1自身对脂质单层的影响。当向亚相注入低浓度（0.6 nM）的Syn1时，单层的表面压力(Π)会出现一个阶梯式的下降，随后部分弛豫（图2a）。然而，通过XRR和GID测得的单层结构参数，包括脂质头基和尾部的电子密度、厚度以及每个脂质链所占面积(A_c)，并未发生显著变化（图2b, c, e）。这表明Syn1能够与单层发生相互作用（表现为压力变化），但这种初始相互作用并不引起单层分子结构的剧烈重构。

2. 囊泡和钙离子对单层结构的扰动（无Syn1时）

作为对照，在单层未预先与Syn1孵育的情况下，向亚相注入脂质囊泡(LVs)会引起表面压力的持续缓慢上升（图3a），这通常被解释为囊泡中的脂质向单层转移的结果。更重要的是，GID测量显示，囊泡的注入导致了A_c的显著减小（约2%），意味着脂质链的排列变得更加紧密（图3e）。随后注入模拟突触内钙离子内流的CaCl₂（10 μM和1 mM）会进一步加剧这种链间距的收缩。XRR结果也支持了这一结论，显示出囊泡和Ca²⁺的注入引起了单层头基密度和整体厚度的明显改变（图3b, c）。这些结果表明，在没有Syn1的情况下，囊泡和Ca²⁺能够强烈地扰动脂质单层的结构。

3. 突触素1的“屏蔽”保护作用

最关键的发现出现在比较实验中。当脂质单层预先与Syn1孵育后，再注入相同的脂质囊泡和Ca²⁺，之前观察到的剧烈结构变化几乎完全被抑制了（图2e）。无论是A_c的收缩，还是XRR密度剖面的改变，都变得非常微弱。只有当Ca²⁺浓度达到非生理性的高水平（1 mM）时，才观察到轻微的结构变化。这表明，预先结合在单层上的Syn1，有效地“屏蔽”或缓冲了后续囊泡和Ca²⁺对单层结构的扰动作用。

4. 脂质组成与囊泡类型的特异性影响

为了探究相互作用的特异性，研究人员更换了单层脂质组成。当使用平均电荷密度较低但局部电荷更高的DPPC/PIP₂（19:1）单层时，Syn1引起的结构变化远弱于DPPC/DPPS（1:1）单层（图5），提示单层整体的电荷密度对Syn1的初始结合至关重要。此外，当使用携带全部天然蛋白的、从大鼠脑中纯化的突触囊泡(SVs)替代合成脂质体(LVs)时，在DPPC/PIP₂单层上观察到了与LV不同的响应模式（图6），这可能是由于SVs上的特定蛋白（如突触结合蛋白synaptotagmin）与PIP₂发生了特异性相互作用。

结论与意义

综上所述，这项研究通过精密的体外生物物理实验揭示了一个新的功能：突触素1(Syn1)不仅负责组织突触囊泡，还能通过与突触前膜模型的相互作用，形成一个保护性屏障。这个屏障功能使得突触前膜在面对周围密集的囊泡和基础水平的钙离子时，能够保持其分子结构的相对稳定，避免发生非特异性的结构重排。在真实的突触环境中，这种“屏蔽”作用可能具有重要的生理意义。它可以防止在神经信号未到达时，突触囊泡与突触前膜发生自发的、不受控的融合（即自发性释放），从而确保神经递质释放的精确性和突触传递的可靠性。只有当动作电位引发大量钙离子内流，并激活SNARE蛋白等专门的融合 machinery 时，囊泡才能克服这层“屏障”，实现快速、同步的融合。因此，这项研究不仅深化了我们对突触素功能多样性的理解，也为探索突触可塑性和某些神经精神疾病的病理机制提供了新的视角。研究的发现依赖于先进的同步辐射X射线散射技术，凸显了生物物理方法在揭示生命现象深层机制中的强大能力。