SNARE ақуыздары: Везикулалық бірігу және нейротрансмиссия механизмі

Кіріспе

Белоктар отбасы

SNARE белоктары – "SNAP РЕЦЕПТОРЛАРЫ" – ашытқыларда кем дегенде 24 мүшеден, сүтқоректілер жасушаларында 60-тан астам мүшеден және өсімдіктерде белгілі бір санынан тұратын үлкен белоктар отбасы. SNARE белоктарының басты қызметі – көпіршіктердің нысаналық мембранамен бірігуін қамтамасыз ету; бұл ерекше түрде экзоцитозды қамтамасыз етеді, бірақ мембранаға байланысқан бөлімшелермен (мысалы, лизосомамен) көпіршіктердің бірігуін де қамтамасыз ете алады. Ең жақсы зерттелген SNARE белоктары – нейрондардағы нейротрансмиттерлерді қамтитын синаптық көпіршіктердің босатылуын қамтамасыз ететіндері. Осы нейрондық SNARE белоктары – белгілі бір бактериялардың өндіретін ботулизм және тетанусқа себеп болатын нейротоксиндердің нысанасы болып табылады.

Түрлері

SNARE-лер екі категорияға бөлінеді: көпіршік немесе v SNARE-лер, олар бүршік пайда болатын кезде көпіршік тасымалдаушы мембраналарға енгізіледі, және мақсатты немесе t SNARE-лер, олар жүйке ұштарының мембраналарымен байланысты. Дәлелдерге сәйкес, t SNARE-лер тұрақты субкомплекстер құрайды, олар ақуыз қабықшасымен қапталған көпіршіктің мембранасына енгізілген v SNARE-ге бағыттап, SNARE кешенінің қалыптасуын аяқтау үшін байланысуға көмектеседі. Көптеген SNARE ақуыздары көпіршіктер мен мақсатты мембраналардың екеуінде де кездеседі, сондықтан жаңа классификация схемасы SNARE-лердің құрылымдық ерекшеліктерін ескере отырып, оларды R SNARE және Q SNARE-ге бөледі. Көбінесе R SNARE-лер v SNARE ретінде, ал Q SNARE-лер t SNARE ретінде әрекет етеді. R SNARE-лер – құрастырылған негізгі SNARE кешеніндегі нөлдік иондық қабаттың қалыптасуына аргинин (R) қалдығын үлестесетін ақуыздар. Бір ерекше R SNARE – синаптобревин, ол синаптылық көпіршіктерде орналасқан. Q SNARE-лер – құрастырылған негізгі SNARE кешеніндегі нөлдік иондық қабаттың қалыптасуына глутамин (Q) қалдығын үлестесетін ақуыздар. Q SNARE-лердің ішінде синтаксин және SNAP 25 бар. Q SNARE-лер төрт спиральді жиынтықтағы орналасуына қарай Qa, Qb немесе Qc SNARE-лерге жіктеледі.

Құрылымы

SNARE – бұл кішкентай, көптеп таралған, кейде құйрық арқылы бекітілген ақуыздар, олар көбінесе C-терминалды трансмембраналық домен арқылы мембраналарға пост-трансляциялық түрде енгізіледі. 38 белгілі SNARE-дің жетісі, соның ішінде SNAP 25, трансмембраналық домені жоқ және олардың орнына пальмитоилдеу сияқты липидтік модификациялар арқылы мембранаға бекітіледі. Құйрық арқылы бекітілген ақуыздар плазмалық мембранаға, эндоплазмалық ретикулумға, митохондрияларға және пероксисомаларға, сондай-ақ басқа мембраналарға енгізілуі мүмкін, бірақ әрбір нақты SNARE бірегей мембранаға бағытталатын болады. SNARE-лердің бағытталуы C-терминалдық фланкінгтік аминқышқыл қалдықтарының құрамын немесе трансмембраналық доменнің ұзындығын өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Трансмембраналық доменді липидтік жапырақшалармен алмастыру мембраналық бірігудің аралық сатысына әкеледі, онда екі мембраналық екі қабаттың екі алыс жапырақшалары емес, тек екі жанасқан жапырақшалары ғана бірігеді. SNARE-лер құрылымы мен мөлшері жағынан айтарлықтай ерекшеленсе де, олардың барлығы цитозольдік домендеріндегі бір сегментті бөліседі, ол SNARE мотиві деп аталады, ол 60-70 аминқышқылынан тұрады және орамдалған спираль құрылымдарын құрайтын гептадты қайталауларды қамтиды. V және t SNARE-лер "транс" SNARE кешендері деп аталатын тығыз, төрт спиральді жиынтықтар ретінде қайтымды түрде құралуға қабілетті. Синаптикалық везикулалардағы тез қалыптасатын метастабильді "транс" кешендер үш SNARE-ден тұрады: синтаксин 1 және жасуша мембранасында орналасқан SNAP 25 және везикула мембранасына бекітілген синпатобревин (сонымен қатар везикуламен байланысты мембраналық ақуыз немесе VAMP деп те аталады). Нейрондық экзоцитоз кезінде синтаксин мен синпатобревин олардың C-терминалды домендері арқылы тиісті мембраналарға бекітіледі, ал SNAP 25 бірнеше цистеинмен байланысты пальмитоил тізбектері арқылы плазмалық мембранаға бекітіледі. Транс-SNARE кешенінің ядросы төрт спиральді жиынтық болып табылады, онда бір спираль синтаксин 1-ден, бір спираль синпатобревиннен және екі спираль SNAP 25-тен беріледі. Плазмалық мембранада орналасқан SNARE-лер ерекше микродомендерде немесе кластерлерде кездесетіні көрсетілді, олардың тұтастығы жасушаның экзоциттік қабілеті үшін маңызды.

SNAREs are small, abundant, sometimes tail anchored proteins which are often post translationally inserted into membranes via a C terminal transmembrane domain. Seven of the 38 known SNAREs, including SNAP 25, do not have a transmembrane domain and are instead attached to the membrane via lipid modifications such as palmitoylation. Tail anchored proteins can be inserted into the plasma membrane, endoplasmic reticulum, mitochondria, and peroxisomes among other membranes, though any particular SNARE is targeted to a unique membrane. The targeting of SNAREs is accomplished by altering either the composition of the C terminal flanking amino acid residues or the length of the transmembrane domain. Replacement of the transmembrane domain with lipid anchors leads to an intermediate stage of membrane fusion where only the two contacting leaflets fuse and not the two distal leaflets of the two membrane bilayer. Although SNAREs vary considerably in structure and size, they all share a segment in their cytosolic domain called a SNARE motif that consists of 60 70 amino acids and contains heptad repeats that have the ability to form coiled coil structures. V and t SNAREs are capable of reversible assembly into tight, four helix bundles called "trans" SNARE complexes. In synaptic vesicles, the readily formed metastable "trans" complexes are composed of three SNAREs: syntaxin 1 and SNAP 25 resident in cell membrane and synaptobrevin (also referred to as vesicle associated membrane protein or VAMP) anchored in the vesicle membrane. In neuronal exocytosis, syntaxin and synaptobrevin are anchored in respective membranes by their C terminal domains, whereas SNAP 25 is tethered to the plasma membrane via several cysteine linked palmitoyl chains. The core trans SNARE complex is a four helix bundle, where one helix is contributed by syntaxin 1, one helix by synaptobrevin and two helices are contributed by SNAP 25. The plasma membrane resident SNAREs have been shown to be present in distinct microdomains or clusters, the integrity of which is essential for the exocytotic competence of the cell.

Мембраналық қорыту

Мембраналық бірігу кезінде v SNARE және t SNARE ақуыздары жеке мембраналарда бірігіп, транс SNARE кешенін құрайды, бұл "SNAREpin" деп те аталады. Мембраналардың бірігу сатысына қарай бұл кешендер әртүрліше аталуы мүмкін. Транс SNARE кешендері біріккенде мембраналар қосылып, бірігуден кейін кешен құрауға қатысқан SNARE ақуыздары "цис" SNARE кешені деп аталады, себебі олар енді бір (немесе цис) түзілген мембранада орналасқан. Біріккеннен кейін цис SNARE кешені адаптерлік ақуыз, альфа SNAP арқылы байланысып, ыдырайды. Содан кейін NSF деп аталатын (AAA типіндегі) гексамерлік АТФаза SNARE ақуыздарын АТФ-ге тәуелді түрде жайып, оларды цитозолға қайта өңдеу үшін босатады. SNARE бірігу механизмінің қажетті негізгі компоненттері болып саналады және қосымша цитозолдық қосалқы ақуыздарға тәуелсіз жұмыс істей алады. Бұл "кері бұрылған" SNARE-лерді жасау арқылы көрсетілді, онда SNARE домендері цитозолдың орнына жасушадан тыс кеңістікке қаратылған. v SNARE бар жасушалар t SNARE бар жасушалармен жанасқанда транс SNARE кешендері пайда болып, жасушалардың бірігуі жүзеге асады.

Құралымдары

SNARE кешенінің өзегі 4 спиральдік шоғыр құрайды. Синаптобровин мен синтаксиннің әрқайсысы бір спиральға үлес қосады, ал SNAP 25 екі спиральмен (Sn1 және Sn2 деп қысқартылады) қатысады. SNARE кешенін біріктіретін өзара әрекеттесетін аминқышқылдарының қалдықтары қабаттарға топталуы мүмкін. Әрбір қабатта 4 аминқышқыл қалдығы бар – әрқайсысы 4 спираль үшін бір қалдық. Кешеннің ортасында бір аргинин (R) және үш глутамин (Q) қалдықтарынан тұратын нөлдік иондық қабат орналасқан, ал оны лейцинмен жабылатын бөліктер (ципперлер) қоршап тұрады. Кешеннің ортасындағы '1', '+1' және '+2' қабаттары идеалды лейцинмен жабылатын бөліктердің геометриясына және аминқышқылдық құрамына ең жақын. Нөлдік иондық қабат VAMP 2-ден R56, синтаксин 1A-дан Q226, Sn1-ден Q53 және Sn2-ден Q174 қалдықтарынан тұрады және лейцинмен жабылатын бөліктерде толығымен жасырылған. Аргинин (R) қалдығының оң зарядталған гуанидин тобы үш глутамин (Q) қалдығының карбоксил топтарымен өзара әрекеттеседі. Қоршаған лейцинмен жабылатын бөліктер су өткізбейтін қоршау ретінде әрекет етеді, иондық өзара әрекеттесулерді айналадағы ортадан қорғайды. Нөлдік иондық қабаттың су ортасына ашылуы, лейцинмен жабылатын бөліктердің бұзылуымен SNARE кешенінің тұрақсыздығына әкеледі және бұл SNAP және NSF-тің синаптылық көпіршік экзоцитозы аяқталғаннан кейін SNARE кешендерін қайта іске қосу механизмі деп саналады.

Құрастыру

SNARE ақуыздары көпіршік бірігуіне қажетті күшті қамтамасыз ету үшін SNARE транс кешендеріне жиналуы тиіс. Төрт α спиральдік домен (әрқайсысы 1 - синаптробвин мен синтаксиннен, ал 2 - SNAP 25) бірігіп, орамды орам мотивін құрайды. Құрастыру процесіндегі шектеуші фактор – синтаксиннің SNARE доменінің қауымдасуы, себебі ол көбінесе басқа SNARE ақуыздарымен өзара әрекеттесе алмайтын «жабық» күйде болады. Синтаксин ашық күйде болғанда, транс-SNARE кешенінің қалыптасуы төрт SNARE доменінің N-терминалдарының бірігуімен басталады. SNARE домендері өздерінің домендерінің C-терминалдарына қарай орамды орам мотивін құрайды. SNAP және NSF де осы қадамда SNARE-лер құрастырған кешенмен байланысады және бастапқы дайындық пен бөлшектеудің келесі кезеңдеріне қатысады. SM протеині Munc18 SNARE кешенін құрастыруда рөл атқарады деп саналады, бірақ оның нақты әрекет ету механизмі әлі де талқыланып жатыр. Munc18-нің құлыптысы синтаксинді оның α спиральдік SNARE домендеріне байланыстыру арқылы жабық конформацияда ұстайды, бұл синтаксиннің SNARE кешендеріне енуіне кедергі келтіреді (сонымен бірге бірігуге де кедергі келтіреді). Бұл диссоциация және SNARE домендерімен қайта байланысудың ықтимал механизмі кальцийге тәуелді болуы мүмкін. Бұл Munc18-дің көпіршік бірігуінде маңызды реттеуші рөл атқаратыны туралы идеяны қолдайды: қалыпты жағдайда Munc18 SNARE кешенінің қалыптасуына кедергі келтіреді, бірақ белсенділікке қол жеткен кезде Munc18 SNARE кешенін құрастыруға көмектеседі және осылайша бірігу катализаторы ретінде әрекет етеді. Транс-SNARE кешені қалыптасқанда, SNARE ақуыздары әлі де қарама-қарсы мембраналарда болады. SNARE домендері спонтанды түрде орала беру кезінде, олар әлдеқайда тығыз және тұрақты төрт спиральдік жиынтықты құрайды. SNARE кешенінің «жіпке оралуы» кезінде, байланысудан босатылған энергияның бір бөлігі жеке SNARE мотивтерінде молекулалық иілу стресі ретінде сақталады деп есептеледі. Бұл механикалық стресс трансмембраналық домендер мен SNARE спиральдік жиынтығы арасындағы жартылай қатаң линкерлік аймақтарда сақталады деп болжанады. Энергиялық тұрғыдан қолайсыз иілу кешен мембраналық бірігу орнына шетке қарай жылғанда азайтылады. Нәтижесінде, стрестің жеңілдеуі көпіршік пен жасуша мембранасы арасындағы итергіш күштерді жеңіп, екі мембрананы жақындастырады. Келесі қадамды түсіндіру үшін бірнеше модельдер ұсынылды. Дегенмен, бұл процестердің нақты сипаты әлі де талқыланып жатыр. «Жіпке оралу» гипотезасына сәйкес, SNARE кешені қалыптасқанда, тығыздалатын спиральдік жиынтық синаптробвин мен синтаксиннің трансмембраналық (TM) домендеріне бұрылу күшін түсіреді. Бұл TM домендерінің жеке мембраналар ішінде белдіктер тығыз оралғанда еңкеюіне себеп болады. TM домендерінің тұрақсыз конфигурациясы екі мембрананың бірігуіне және SNARE ақуыздарының бір мембранада бірігуіне әкеледі, бұл «цис» SNARE кешені деп аталады. Липидтердің қайта орналасуы нәтижесінде бірігу тесігі ашылады және осының нәтижесінде қапшықтағы химиялық құрамы сыртқы ортаға ағып шығады. Сабақ түзілуінің үздіксіз түсіндірмесі мембраналық бірігудің шексіз радиустан басталып, радиалды түрде сабақ тәрізді құрылымға дейін кеңейетінін көрсетеді. Алайда, мұндай сипаттамада мембраналық липидтердің молекулалық динамикасы ескерілмейді. Жақындағы молекулалық симуляциялар мембраналардың жақын орналасуы липидтердің таралуына мүмкіндік беретінін көрсетті, онда липидтердің тобы гидрофобтық құйрықтарын көрші мембранаға енгізеді – тиімді түрде әр мембранада «аяғын» ұстап тұрады. Таралған липидтік күйдің ажыратылуы спонтанды түрде сабақ құрылымын қалыптастыруға әкеледі. Бұл молекулалық көзқарас бойынша, таралған липидтік аралық күй – бұл сабақтың қалыптасуы емес, жылдамдықты анықтайтын кедергі, ол қазір еркін энергияның ең төменгі деңгейіне айналады. Таралған липидтік конформацияны орнату үшін энергетикалық кедергі мембранааралық қашықтыққа тікелей пропорционалды. SNARE кешендері және олардың екі мембрананы жақындастыруы кедергіні жеңу үшін қажетті еркін энергияны қамтамасыз ете алады.

SNARE proteins must assemble into trans SNARE complexes to provide the force that is necessary for vesicle fusion. The four α helix domains (1 each from synaptobrevin and syntaxin, and 2 from SNAP 25) come together to form a coiled coil motif. The rate limiting step in the assembly process is the association of the syntaxin SNARE domain, since it is usually found in a "closed" state where it is incapable of interacting with other SNARE proteins. When syntaxin is in an open state, trans SNARE complex formation begins with the association of the four SNARE domains at their N termini. The SNARE domains proceed in forming a coiled coil motif in the direction of the C termini of their respective domains. SNAP and NSF also associate with the complex formed by SNAREs during this step and participate in the later events of priming and disassembly. The SM protein Munc18 is thought to play a role in assembly of the SNARE complex, although the exact mechanism by which it acts is still under debate. It is known that the clasp of Munc18 locks syntaxin in a closed conformation by binding to its α helical SNARE domains, which inhibits syntaxin from entering SNARE complexes (thereby inhibiting fusion). This possible mechanism of dissociation and subsequent re association with the SNARE domains could be calcium dependent. This supports the idea that Munc18 plays a key regulatory role in vesicle fusion; under normal conditions the SNARE complex will be prevented from forming by Munc18, but when triggered the Munc18 will actually assist in SNARE complex assembly and thereby act as a fusion catalyst. When the trans SNARE complex is formed, the SNARE proteins are still found on opposing membranes. As the SNARE domains continue coiling in a spontaneous process, they form a much tighter, more stable four helix bundle. During this "zippering" of the SNARE complex, a fraction of the released energy from binding is thought to be stored as molecular bending stress in the individual SNARE motifs. This mechanical stress is postulated to be stored in the semi rigid linker regions between the transmembrane domains and the SNARE helical bundle. The energetically unfavorable bending is minimized when the complex moves peripherally to the site of membrane fusion. As a result, relief of the stress overcomes the repulsive forces between the vesicle and the cell membrane and presses the two membranes together. Several models to explain the subsequent step – the formation of stalk and fusion pore – have been proposed. However, the exact nature of these processes remains debated. In accordance with the "zipper" hypothesis, as the SNARE complex forms, the tightening helix bundle puts torsional force on the transmembrane (TM) domains of synaptobrevin and syntaxin. This causes the TM domains to tilt within the separate membranes as the proteins coil more tightly. The unstable configuration of the TM domains eventually causes the two membranes to fuse and the SNARE proteins come together within the same membrane, which is referred to as a "cis" SNARE complex. As a result of the lipid rearrangement, a fusion pore opens and allows the chemical contents of the vesicle to leak into the outside environment. The continuum explanation of stalk formation suggests that membrane fusion begins with an infinitesimal radius until it radially expands into a stalk like structure. However, such a description fails to take into account the molecular dynamics of membrane lipids. Recent molecular simulations show that the close proximity of the membranes allows the lipids to splay, where a population of lipids insert their hydrophobic tails into the neighboring membrane – effectively keeping a "foot" in each membrane. The resolution of the splayed lipid state proceeds spontaneously to form the stalk structure. In this molecular view, the splayed lipid intermediate state is the rate determining barrier rather than the formation of the stalk, which now becomes the free energy minimum. The energetic barrier for establishment of the splayed lipid conformation is directly proportional to the intermembrane distance. The SNARE complexes and their pressing of the two membranes together, therefore, could provide the free energy required to overcome the barrier.

Алып тастау

SNARE арқылы балқыту процесіне қажетті энергия SNARE кешенін бөлшектеуден түседі. Күдікті энергия көзі – N этилмалеимидке сезімтал фактор (NSF), бұл мембраналық қосылуға қатысатын АТФаза. NSF гомогексамерлері, NSF кофакторы α SNAP-пен бірге, АТФ гидролизі арқылы процесті байланыстыра отырып, SNARE кешенін байланыстырып, ажыратады. Бұл процесс синаптобревиннің қайта сіңуіне мүмкіндік береді, ал қалған SNARE ақуыздары жасуша мембранасымен байланысты күйде қалады. Бөлшектелген SNARE ақуыздары тұрақты цис SNARE кешенінен гөрі жоғары энергетикалық күйде болады. Фузияны қозғаушы энергия төмен энергетикалық цис SNARE кешеніне өтуден туындайды деп саналады. SNARE кешендерінің АТФ гидролизімен байланысты бөлшектелуі – энергияға жұмсалатын қаражат, оны «оқты қаруды дайындаумен» салыстыруға болады, сондықтан, көпіршіктердің қосылуы басталғаннан кейін, процесс өздігінен және ең тиімді жылдамдықпен жүзеге асады. Бұл сияқты процесс бұлшық еттерде де жүреді, онда миозиннің бастары актинмен өзара әрекеттесу үшін қажетті конформацияны алу және одан кейінгі күштік соққыны жасау үшін алдымен АТФ-ты гидролиздеуі керек.

SNAP-25 пальмитоилдендіру арқылы реттеу

Q SNARE ақуызының 25 (SNAP 25) синптосомалық байланысты ақуызы екі α спиральді доменнен тұрады, олар кездейсоқ орамдық байланыстырушы арқылы қосылған. Кездейсоқ орамдық байланыс аймағы ең бастысы төрт цистеин қалдығымен ерекшеленеді. α спиральді домендер синтаксин және синаптобревинмен (сонымен қатар, көпіршікпен байланысты мембраналық ақуыз немесе VAMP) бірігіп, тиімді экзоцитоз үшін өте маңызды 4 α спиральді оралған SNARE кешенін құрайды. Синтаксин және синаптобревиннің екеуі де мақсатты және көпіршік мембраналарымен байланысуға мүмкіндік беретін трансмембраналық домендерді қамтиды, ал SNAP 25 мақсатты мембранамен байланысу үшін кездейсоқ орамдық аймағындағы цистеин қалдықтарының палмитойлануына тәуелді. Кейбір зерттеулер синтаксинмен SNARE өзара әрекеттесуі мұндай байланыс механизмдерінің қажеттілігін жоққа шығаратынын ұсынады. Дегенмен, синтаксин жою зерттеулері мембранаға байланысқан SNAP 25 мөлшерінің төмендеуін көрсетпеді, бұл басқа байланыс тәсілдерінің бар екенін көрсетеді. Сондықтан, SNAP 25-ке май қышқылдарының тізбектерін тиоэстер байланыстары арқылы бір немесе бірнеше цистеин қалдықтарымен ковалентті қосу байланыстыруды және, нәтижесінде, SNARE-аралас экзоцитозды реттейді. Бұл процеске DHHC палмитоил трансфераза деп аталатын арнайы фермент қатысады. SNAP 25-тің цистеинге бай доменінің плазмалық мембранамен әлсіз байланыста екені көрсетілді, бұл оның кейіннен палмитойлану үшін ферментке жақын орналасуына мүмкіндік береді. Бұл процестің керісінше палмитоил протеин тиоэстераза деп аталатын тағы бір фермент арқылы жүзеге асырылады (суретті қараңыз). SNARE кешеніндегі SNAP 25-тің болуы мақсатты мембранадағы липидтік микродомендердің орналасуы арқылы кеңістікте реттелуі мүмкін деген гипотеза бар. Палмитойланған цистеин қалдықтары SNAP 25 цистеин қалдықтарына байланысқан май қышқылдарына толықтырғыш болатын қолайлы липидтік ортаға (мысалы, холестеринге бай) орналасуы мүмкін. Соңғы зерттеулер SNAP 25-тің жоғары/төмен экспрессиясы мен мидың әртүрлі аурулары арасындағы байланысты көрсетті. Көңіл шоғырландыру жетіспеушілігі/гиперактивтілік синдромы (КШЖС) немесе ADHD кезінде адамдарда SNAP 25 генінің локусындағы полиморфизмдер аурумен байланысты, бұл оның дамуындағы рөлін ұсынады. Бұл колобома мутантты егеуқұйрықтарда жүргізілген гетерогенді SNAP 25 нокаут зерттеулерімен расталады, олар КШЖС-тің фенотиптік сипаттамаларына әкелді. Зерттеулер SNAP 25-тің жоғары/төмен экспрессиясы мен шизофрениянің пайда болуы арасындағы корреляцияны да көрсетті.

The Q SNARE protein Synaptosomal associated protein 25 (SNAP 25) is composed of two α helical domains connected by a random coil linker. The random coil linker region is most notable for its four cysteine residues. The α helical domains combine with those of both syntaxin and synaptobrevin (also known as vesicle associated membrane protein or VAMP) to form the 4 α helix coiled coil SNARE complex critical to efficient exocytosis. While syntaxin and synaptobrevin both contain transmembrane domains which allow for docking with target and vesicle membranes respectively, SNAP 25 relies on the palmitoylation of cysteine residues found in its random coil region for docking to the target membrane. Some studies have suggested that association with syntaxin via SNARE interactions precludes the need for such docking mechanisms. Syntaxin knockdown studies however, failed to show a decrease in membrane bound SNAP 25 suggesting alternate docking means exist. The covalent bonding of fatty acid chains to SNAP 25 via thioester linkages with one or more cysteine residues therefore, provides for regulation of docking and ultimately SNARE mediated exocytosis. This process is mediated by a specialized enzyme called DHHC palmitoyl transferase. The cysteine rich domain of SNAP 25 has also been shown to weakly associate with the plasma membrane possibly allowing it to be localized near the enzyme for subsequent palmitoylation. The reverse of this process is carried out by another enzyme called palmitoyl protein thioesterase (see figure). The availability of SNAP 25 in the SNARE complex is also theorized to possibly be spatially regulated via localization of lipid microdomains in the target membrane. Palmitoylated cysteine residues could be localized to the desired target membrane region via a favorable lipid environment (possibly cholesterol rich) complementary to the fatty acid chains bonded to the cysteine residues of SNAP 25. Further investigation has suggested possible relationships between SNAP 25 over/underexpression and a variety of brain diseases. In attention deficit/hyperactivity disorder or ADHD, polymorphisms at the SNAP 25 gene locus in humans have been linked to the disease suggesting a potential role in its manifestation. This is further suggested by heterogeneous SNAP 25 knockout studies performed on coloboma mutant mice, which led to phenotypic characteristics of ADHD. Studies have also shown a correlation of SNAP 25 over/underexpression and the onset of schizophrenia.

Синтаксин және Хабк домені

Синтаксин трансмембраналық доменнен (ТМД), альфа-спиральді SNARE доменінен, қысқа линкерлік аймақтан және үш альфа-спиральді аймақтан құралған Habc доменінен тұрады. Синтаксиндегі SNARE домені SNARE кешенінің және одан кейінгі бірігуге қажетті төрт спиральді жиынтықты құру үшін SNAP 25 және синаптобревиннің байланысуына арналған нысана ретінде қызмет етеді. Дегенмен, Habc домені синтаксиннің өзін-өзі тежеуші домені болып табылады. Ол SNARE мотивінің қалыптасуына физикалық кедергі келтіретін, "жабық" күйін тудыратын синтаксиннің SNARE доменімен бүгіліп, байланысады. Керісінше, Habc домені қайтадан SNARE доменінен ажыратылып, синтаксинге SNAP 25 және синаптобревинмен байланысуға мүмкіндік береді.

Синтаксин 1B және тез босатылатын көпіршіктер

Синтаксиндердің сан алуан субтиптері бар, адам геномында олардың 15 түрі кездеседі. Синтаксин1B аксон терминалында экзоцитозға дайын синаптық везикулалардың санын реттеуде маңызды рөл атқарады деген болжам бар. Бұл везикулалардың жедел босатылатын қоры (RRP) деп те аталады. 2014 жылы жасалған нокаут зерттеуі, синтаксин1B-нің жоқтығы RRP мөлшерінің айтарлықтай азаюына себеп болғанын көрсетті.

Токсиндер

Көптеген нейротоксиндер SNARE кешендеріне тікелей әсер етеді. Ботулизм және тетанус токсиндері сияқты токсиндер SNARE құраушыларын бағыттайды. Бұл токсиндер везикулалардың дұрыс қайта өңделуіне кедергі келтіріп, нашар бұлшықет бақылауына, құрысуларға, параличке және тіпті өлімге алып келеді.

Ботулиндік нейротоксин

Ботулиновый токсин (BoNT) – ең күшті токсиндердің бірі, адамзат тарихында ашылған. Бұл протеолиттік фермент, ол нейрондардағы SNARE ақуыздарын кесіп бөледі. Оның ақуыз құрылымы екі пептидтік суббірліктен тұрады: ауыр тізбек (100 кДас) және жеңіл тізбек (50 кДас), олар дисульфидтік байланыс арқылы байланысқан. BoNT-тың әрекет ету механизмі 4 қадамнан тұрады: нейрондық мембранаға байланысу, эндоцитоз, мембраналық транслокация және SNARE ақуыздарының протеолизі. Оның әсер ету механизмінде BoNT-тың ауыр тізбегі алдымен нейрондық мақсаттарды анықтау және пресинаптикалық нейрондардың ганглиозидтері мен мембраналық ақуыздарына байланысу үшін қолданылады. Содан кейін токсин эндоцитоз арқылы жасуша мембранасына енгізіледі. Ауыр тізбек конформациялық өзгеріске ұшырайды, бұл жеңіл тізбекті нейронның цитозолына транслокациялау үшін маңызды. Ақырында, BoNT-тың жеңіл тізбегі мақсатты нейронның цитозолына жеткеннен кейін, ол SNARE ақуыздарындағы белсенді кесу орындарына жету үшін ауыр тізбектен босатылады. BoNT-тың жеңіл тізбегі Zn(II) иондарына тәуелді SNARE ақуыздарында металлопротеаз ретінде әрекет етеді, оларды кесіп, экзоцитоз функциясын жояды. BoNT-тың 8 белгілі изотипі бар: BoNT/A – BoNT/H, олардың әрқайсысы SNARE ақуыздарында әртүрлі кесу орындарына ие. SNAP25 – жасуша мембранасында орналасқан SNARE ақуыздар отбасының мүшесі, ол BoNT A, C және E изотиптерімен кесіледі. Осы изотиптермен SNAP25-тің кесілуі, везикулалардың синаптикалық мембранамен бірігуі үшін SNARE кешенін құрауда олардың қызметін күрт тежейді. BoNT/C сонымен қатар синаптикалық мембранада орналасқан тағы бір SNARE ақуызы – Синтаксин 1-ге де әсер етеді. Ол осы Синтаксин ақуыздарын SNAP25 сияқты деградациялайды. Үшінші SNARE ақуызы – Синаптобревин (VAMP) – жасушалық көпіршіктерде орналасқан. VAMP2 синаптық нейрондарда B, D және F BoNT изотиптерімен таңдалады және кесіледі.

Тетанусты нейротоксин

Тетанус токсині немесе TeNT дисульфидтік байланыс арқылы қосылған ауыр (100 кДа) және жеңіл (50 кДа) тізбектерден тұрады. Ауыр тізбек TeNT-тің жүйкелік терминал мембранасына нейроспецификалық байланысуына, токсиннің эндоцитозына және жеңіл тізбектің цитозолға транслокациясына жауапты. Жеңіл тізбекте мырышқа тәуелді эндопептидаза, немесе дәлірек айтқанда матрицалық металлопротеиназа (ММП) активтілігі бар, осы арқылы синаптобревин немесе VAMP-тың кесілуі жүзеге асырылады. TeNT-тің жеңіл тізбегін белсендіру үшін цинк атомының біреуі токсиннің әрбір молекуласына байланысуы керек. Цинк байланысқанда дисульфидтік байланыстың тоқтатылуы негізінен NADPH тиоредоксин редуктазасы – тиоредоксин редокс жүйесі арқылы жүзеге асырылады. Содан кейін жеңіл тізбек синаптобревиннің Глн76 Фе77 байланысын кесуге мүмкіндік алады. Синаптобревиннің осы кесілуі – TeNT-тің соңғы мақсаты және тіпті төмен дозада нейротоксин нейротрансмиттер экзоцитозын тежейді.

Нейротрансмиттерді босатудағы рөлі

Нейротрансмиттерлер пресинаптикалық терминальдың ішінде орналасқан, тез босатылатын көпіршіктерде сақталады. Нейросекреция/экзоцитоз кезінде SNARE-лер көпіршіктердің орналасуына, дайындығына, бірігуіне және нейротрансмиттердің синаптық жарыққа шығарылуын синхрондауға маңызды рөл атқарады. Синаптық көпіршіктердің бірігуінің алғашқы қадамы – көпіршіктердің резервтік қорынан мембранамен физикалық байланысқа өтуі. Мембранада Munc 18 бастапқыда syntaxin 1A-мен жабық құрылымда байланысады. Munc 18 кешенінен ажырауы syntaxin 1A-ны v SNARE ақуыздарымен байланысуға босатады деп есептеледі. Босатудың келесі қадамы – көпіршіктердің орналасуы, онда v және t SNARE ақуыздары кальцийге тәуелсіз түрде уақытша байланысады. Содан кейін көпіршіктер дайындығына өтеді, онда SNARE мотивтері көпіршік пен мембрана арасында тұрақты өзара әрекеттесуді құрайды. Комплексиндер дайын SNARE кешенін тұрақтандырып, көпіршіктерді жылдам экзоцитозға дайын етеді. Дайын көпіршіктер мен SNARE ақуыздарының тығыз жиынтығын қамтитын пресинаптикалық мембрананың бөлігі белсенді аймақ деп аталады. Кернеуге жабық кальций арналары белсенді аймақтардың маңында жоғары концентрацияланған және синапста мембрананың деполяризациясына жауап ретінде ашылады. Кальцийдің ағынын synaptotagmin 1 сезінеді, ол өз кезегінде complexin белгісін ығыстырып, көпіршіктің пресинаптикалық мембранамен бірігуіне және нейротрансмиттерді босатуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, кернеуге жабық кальций арналары t SNARE-лер syntaxin 1A және SNAP 25-пен, сондай-ақ synaptotagmin 1-мен тікелей өзара әрекеттеседі. Бұл өзара әрекеттесулер кальций арнасының активтілігін тежеуге және босату орнының маңындағы молекулаларды тығыз жинақтауға қабілетті. SNARE гендері мен жүйке аурулары арасындағы байланысты көрсететін көптеген клиникалық жағдайлар бар. Кейбір шизофрениямен ауыратын науқастардың гиппокамп тінінде SNAP 25 мРНК деңгейінің төмендеуі байқалды, SNAP 25-тің бір нуклеотидтік полиморфизмі аутизм спектрінің бұзылыстарындағы гипербелсенділікпен байланысты, ал SNAP 25B-нің жоғары экспрессиясы биполярлық бұзылыстың ертерек пайда болуына әкеледі. SNARE-лер фагофордың басталуы мен кеңеюі кезінде, сондай-ақ аутофагосома-лизосома бірігуі кезіндегі іріңді бірігуді қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Сүтқоректілерде фагофордың басталу механизмі белгісіз болса да, SNARE-лер Atg16L, v SNARE VAMP7 және оның серігі t SNARE-лер: Syntaxin 7, Syntaxin 8 және VTI1B бар шағын, клатринмен қапталған, бір мембраналы көпіршіктердің гомотипиялық бірігуі арқылы фагофордың қалыптасуына қатысады. Ашытқыда t SNARE Sec9p және Sso2p экзоцитоз үшін қажетті және аутофагосома биогенезі үшін де қажетті Atg9 оң көпіршіктердің түтікшелі бүршіктелмесін ынталандырады. Бұл SNARE-лердің біреуін жою кішкентай Atg9 бар көпіршіктердің жиналуына әкеледі, олар бірікпейді, демек преавтофагосомалық құрылымның қалыптасуына кедерілді. Жақында syntaxin 17 (STX17) VAMP8 және SNAP29-мен өзара әрекеттесетін және лизосомамен бірігу үшін қажетті аутофагосомамен байланысты SNARE ретінде анықталды. STX17 аутофагосомалардың сыртқы мембранасында орналасқан, бірақ фагофорларда немесе басқа аутофагосома прекурсорларында емес, бұл олардың лизосомамен ертерек бірігуіне жол бермейді. Ашытқыда аутофагосомалардың вакуольдермен (ашытқыдағы лизосомаларға балама) бірігуі үшін SNARE және syntaxin гомологы Vam3, SNAP 25 гомологы Vam7, Ras-тің ұқсас GTPase Ypt7 және NSF ортологы Sec18 сияқты байланысты белоктар қажет.

Neurotransmitters are stored in readily releasable pools of vesicles confined within the presynaptic terminal. During neurosecretion/exocytosis, SNAREs play a crucial role in vesicle docking, priming, fusion, and synchronization of neurotransmitter release into the synaptic cleft. The first step in synaptic vesicle fusion is tethering, where the vesicles are translocated from the reserve pool into physical contact with the membrane. At the membrane, Munc 18 is initially bound to syntaxin 1A in a closed structure. It is postulated that the dissociation of Munc 18 from the complex frees syntaxin 1A to bind with the v SNARE proteins. The next step in release is the docking of vesicles, where the v and t SNARE proteins transiently associate in a calcium independent manner. The vesicles are then primed, wherein the SNARE motifs form a stable interaction between the vesicle and membrane. Complexins stabilize the primed SNARE complex rendering the vesicles ready for rapid exocytosis. The span of presynaptic membrane containing the primed vesicles and dense collection of SNARE proteins is referred to as the active zone. Voltage gated calcium channels are highly concentrated around active zones and open in response to membrane depolarization at the synapse. The influx of calcium is sensed by synaptotagmin 1, which in turn dislodges complexin protein and allows the vesicle to fuse with the presynaptic membrane to release neurotransmitter. It has also been shown that the voltage gated calcium channels directly interact with the t SNAREs syntaxin 1A and SNAP 25, as well as with synaptotagmin 1. The interactions are able to inhibit calcium channel activity as well as tightly aggregate the molecules around the release site. There have been many clinical cases that link SNARE genes with neural disorders. Deficiency in SNAP 25 mRNA has been observed in hippocampal tissue of some schizophrenic patients, a SNAP 25 single nucleotide polymorphism is linked to hyperactivity in autism spectrum disorders, and overexpression of SNAP 25B leads to the early onset of bipolar disorder. SNAREs play important roles in mediating vesicle fusion during phagophore initiation and expansion as well as autophagosome lysosome fusion in the later stages of autophagy. Though the mechanism of phagophore initiation in mammals is unknown, SNAREs have been implicated in phagophore formation through homotypic fusion of small, clathrin coated, single membrane vesicles containing Atg16L, the v SNARE VAMP7, and its partner t SNAREs: Syntaxin 7, Syntaxin 8, and VTI1B. In yeast, the t SNAREs Sec9p and Sso2p are required for exocytosis and promote tubulovesicular budding of Atg9 positive vesicles, which are also required for autophagosome biogenesis. Knocking out either of these SNAREs leads to accumulation of small Atg9 containing vesicles that do not fuse, therefore preventing the formation of the pre autophagosomal structure. Recently, syntaxin 17 (STX17) was identified as an autophagosome associated SNARE that interacts with VAMP8 and SNAP29 and is required for fusion with the lysosome. STX17 is localized on the outer membrane of autophagosomes, but not phagophores or other autophagosome precursors, which prevents them from prematurely fusing with the lysosome. In yeast, the fusion of autophagosomes with vacuoles (the yeast equivalent of lysosomes) requires SNAREs and related proteins such as the syntaxin homolog Vam3, SNAP 25 homolog Vam7, Ras like GTPase Ypt7, and the NSF ortholog, Sec18.

Құралымдарды икемді ауыстыру

Бірнеше кешендер бір белокты екіншісімен икемді түрде алмастыруға қабілетті екені белгілі: Ашытқыларда екі Qa SNARE бір-бірін белгілі бір деңгейде алмастыра алады. R SNARE Sec22p жоғалтқан ашытқылар автоматты түрде Ykt6p гомологының деңгейін көтереді және оны сол сияқты пайдаланады. Drosophila SNAP 25 компонентінің жоғалуына шыдай алмаса да, SNAP 24 оны толықтай алмастыра алады. Сондай-ақ, Drosophila-да синапстарда қалыпты түрде табылмайтын R SNARE синаптробревиннің орнына қолданыла алады.

Өсімдіктерде

SNARE-лер өсімдіктерде де кездеседі және олардың пайда болуы мен атқаратын рөлі туралы белгілі бір түсініктер қалыптасты. Олар көбінесе көпіршіктердің тасымалдануына қажетті болып табылады, соның ішінде Чжэн және авторлардың 1999 жылғы Голджи-вакуоль трафигіне қатысты зерттеуі. Осы зерттеулердің көп бөлігі Арабидопсис өсімдігінде жүргізілді.