钙敏感突触结合蛋白11与脂质互作调控胞吐-胞吞的分子机制

《Nature Communications》：Calcium-sensitive synaptotagmin 11-lipid interaction modulates exo-endocytosis

本研究针对非钙亲和性突触结合蛋白(Syt)在神经传递中的功能机制这一长期未解之谜，通过系统研究揭示了Syt11通过其独特的钙敏感性脂质结合特性，与经典钙传感器Syt1在膜占据上形成动态竞争，从而精细调控突触囊泡胞吐与胞吞耦合的新机制，为理解突触可塑性和相关神经系统疾病的发病机制提供了重要理论依据。

　　

在大脑这个复杂的网络中，神经元之间的信息传递依赖于突触部位神经递质的精准释放与回收。这一过程的核心是钙离子(Ca²⁺)触发的突触囊泡融合(胞吐)及其后续的膜回收(胞吞)。突触结合蛋白(synaptotagmins, Syts)家族被认为是这一过程的主要钙传感器，但令人困惑的是，在哺乳动物17个Syt亚型中，仅有8个是经典的钙亲和性蛋白(Ca²⁺-Syts)，其余9个则因关键天冬氨酸残基的进化突变而失去了钙结合能力，被称为非钙亲和性蛋白(Ca^?-Syts)。

这些非钙亲和性Syt蛋白，尤其是与帕金森病和精神分裂症风险密切相关的Syt11，虽然在大脑中广泛表达且功能重要，但其在突触传递中的具体作用机制一直是个谜团。它们如何在没有钙结合能力的情况下参与钙依赖的神经传递？与经典钙传感器之间是否存在功能上的互动？这些问题长期困扰着神经科学领域的研究人员。

近期，西安交通大学徐华栋教授、王昌河教授团队在《Nature Communications》上发表的研究成果，为我们揭示了这一谜题的关键部分。研究人员发现，虽然Syt11不能直接结合钙离子，但它与酸性磷脂的相互作用却表现出独特的钙敏感性，并与经典的Syt1在膜占据上形成动态竞争，从而精细调控突触囊泡的胞吐-胞吞耦合过程。

研究团队综合运用生物化学分析、计算机模拟、体外脂质体实验和神经元pHluorin成像等多种技术手段。他们从西安交通大学附属医院获取了基因敲除小鼠的皮质神经元进行培养，并通过膜电容记录和实时突触荧光成像等技术分析囊泡循环动力学。

非钙亲和性Syts具有高碱性表面特征

研究人员首先通过AlphaFold预测了所有34个大鼠Syt-C2结构域的三维结构，发现无论是钙亲和性还是非钙亲和性Syt，其C2B结构域大多具有较高的等电点(>8.5)和广泛的碱性表面区域。特别是Syt11等非钙亲和性Syts，其表面正静电势和碱性溶剂可及表面积甚至高于经典的钙亲和性Syts，预示着它们具有很强的脂质结合潜力。

Syt11与酸性磷脂的结合具有钙敏感性

通过体外脂质体共沉淀实验，团队发现Syt1作为典型的钙亲和性蛋白，其与脂质体的结合在钙存在下显著增强。而令人惊讶的是，Syt11虽然不能结合钙离子，但其与酸性脂质体的结合却随着钙浓度升高而逐渐被抑制，在5 mM Ca²⁺时几乎完全被阻断。这种钙依赖性抑制并非由于蛋白稳定性改变或离子强度影响，而是源于钙离子对膜表面负电荷的屏蔽效应。

钙敏感性的Syt1/Syt11膜结合竞争

进一步竞争实验表明，在无钙条件下，Syt11能与Syt1竞争性结合脂质体，但随着钙浓度升高，这种竞争效应逐渐减弱，在生理钙浓度(20 μM)下完全消失。这表明钙离子通过双向调节——促进Syt1的膜结合同时抑制Syt11的膜结合——实现了Syt1-Syt11在膜占据上的"开关"转换。

双区域与多区域膜结合模式

通过定点突变，研究人员解析了Syt1和Syt11不同的膜结合机制。Syt1采用"双区域"结合模式：C2B结构域中的K-富集 motif负责钙非依赖性结合，而两个C2结构域中的钙结合环负责钙促进的结合。相反，Syt11则采用"多区域冗余"结合模式，其C2B结构域中的K-富集 motif和环1、2、3区域的碱性位点共同参与膜结合，即使单个区域突变也不会完全丧失结合能力。

Syt11膜相互作用调控胞吐和胞吞的不同阶段

在神经元水平，通过synaptophysin-pHluorin成像技术，团队发现Syt11通过其膜结合能力抑制胞吐的早期阶段(加速时间延长)，但不影响最大胞吐速率。同时，Syt11也通过膜结合抑制胞吞过程。这些调控作用都依赖于其脂质结合能力，因为脂质结合缺陷的Syt11突变体无法回补基因敲除表型。

讨论与意义

这项研究首次系统揭示了非钙亲和性Syt11的钙敏感性脂质结合特性，并提出了Syt1-Syt11膜占据互转换的工作模型。在静息状态下，Syt11凭借其强大的膜亲和力与Syt1竞争膜结合位点，抑制囊泡融合。当动作电位引发钙内流时，钙离子一方面促进Syt1的膜插入，另一方面通过屏蔽膜表面负电荷削弱Syt11的膜结合，使Syt1得以"取代"Syt11，加速囊泡融合。在兴奋结束后，随着胞内钙浓度下降，Syt11重新与膜结合，发挥其对胞吞的刹车作用。

这一精细的调控机制不仅解释了非钙亲和性Syt如何在突触传递中发挥作用，也为理解突触可塑性提供了新视角。更重要的是，考虑到Syt11与帕金森病和精神分裂症的密切关联，该研究为这些神经系统疾病的发病机制和治疗策略开发提供了重要线索。Syt11作为囊泡循环的"精细调节器"，其功能异常可能导致神经递质释放的失衡，进而引发神经精神疾病。

这项研究扩展了我们对突触结合蛋白家族功能多样性的认识，强调了钙亲和性与非钙亲和性Syt之间的协同竞争在神经分泌中的关键作用，为理解神经传递的精确调控机制提供了新的理论框架。