神經突觸小泡是神經系統中負責存儲和釋放神經遞質的關鍵亞細胞器，通過精确調控神經遞質的釋放介導信息傳遞。盡管對突觸小泡的生化和形态學特性已有一定了解，但關于其關鍵蛋白如何協同工作以确保神經遞質的有效存儲和釋放，仍有許多未知。

近日，北京大學郭強課題組和斯坦福大學Axel T. Brunger課題組在《Nature》在線發表了題為“Structure and topography of the synaptic V-ATPase–synaptophysin complex”的研究論文。該研究首次發現了神經突觸小泡膜上的氫離子泵V-ATPase與突觸素蛋白Synaptophysin之間的相互作用，并深入探讨了其對突觸小泡生成和功能的影響。

圖一：突觸小泡上的V-ATPase原位結構。使用單顆粒三維重構技術對野生型（a）和Synaptophysin基因敲除(b)小鼠突觸小泡上的V-ATPase進行結構表征。

研究者采用了冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）和單顆粒三維重構技術，對小鼠大腦中分離的谷氨酸能突觸小泡進行了表征。結果表明，在突觸小泡上V-ATPase能夠與Synaptophysin形成1：1化學計量比的穩定複合物，而該複合物在此前分離純化的樣品中未被觀察到^1-4。為了進一步區分Synaptophysin和其同源物，研究者構建了Synaptophysin基因敲除小鼠，并解析了其突觸小泡上的V-ATPase結構，其中電子密度的缺失驗證了該蛋白為Synaptophysin。高分辨率結構分析揭示了特定曲率膜環境在穩定Synaptophysin與V-ATPase相互作用中的重要意義，凸顯了在天然膜環境中研究蛋白質結構和功能的重要性。

Synaptophysin是神經突觸小泡表面最豐富的蛋白，是廣泛使用的突觸小泡标志物，但其生物學功能仍不明确⁵。Synaptophysin基因敲除後，其多種同源物表達量上調并代償功能，造成其功能研究困難⁶。本研究中發現Synaptophysin基因敲除小鼠在卡因酸誘導的癫痫中表現出高度易感性和更嚴重的後果。為了研究這一表型的分子機制，研究者利用冷凍電子斷層技術統計了野生型和Synaptophysin基因敲除型小鼠突觸小泡的形态及V-ATPase分布特征。盡管兩個樣品中突觸小泡形态相似， Synaptophysin基因敲除後，突觸小泡 上V-ATPase的平均拷貝數顯著增加。過多的V-ATPase拷貝數可能會加劇突觸小泡對氫離子的滲透性⁷，從而影響神經遞質的裝載，體現為突觸小泡功能異常。

圖二：Synaptophysin基因敲除小鼠表型。a. 突觸小泡冷凍電子斷層數據及三維渲染。b. 突觸小泡V-ATPase分布統計。c. 卡因酸誘導的小鼠癫痫實驗。

基于冷凍電子斷層結果的統計分析表明，V-ATPase整合到突觸小泡是一個随機過程。在野生型突觸小泡中，V-ATPase與Synaptophysin的相互作用會增加複合物的尺寸并限制其對膜曲率的選擇性。此外，Synaptophysin還可以與Synaptobrevin寡聚形成更大的複合物，進一步增加V-ATPase相關複合體的尺寸。這些由Synaptophysin介導的相互作用會增加突觸小泡表面分子的擁擠程度，從而限制V-ATPase的随機插入，實現對突觸小泡上V-ATPase拷貝數的調控。

綜上所述，這項研究揭示了神經突觸小泡上Synaptophysin與V-ATPase的相互作用機制，表明Synaptophysin通過對突觸小泡上V-ATPase的數量調控，進而影響突觸小泡的生成和功能。本研究綜合利用冷凍電子斷層技術和單顆粒三維重構技術，在提供高分辨的結構信息的同時獲取其拓撲分布特征，為深入研究亞細胞結構和功能調控提供了新的思路和方法。

王楚楚博士、江文宏博士以及Jeremy T. S. Leitz博士為本論文的共同第一作者。北京大學郭強研究員和斯坦福大學Axel T. Brunger教授為本論文的共同通訊作者。

原文連接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07610-x

參考文獻：

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