Synaptotagmin

Кіріспе

Синаптотагминдер (SYT) - N терминалды трансмембраналық аймақ (TMR), өзгермелі байланыстырушы және екі C терминалды C2 домендері C2A және C2B арқылы сипатталатын мембраналық трафиктік ақуыздар туысы. сүтқоректілердегі синаптотагминдер тұқымдасында 17 изоформа бар. Синаптотагминдерге қатысты бірнеше С2 доменді құрайтын ақуыздықтар, оның ішінде трансмембраналық (Ферлиндер, кеңейтілген синаптотагмин (E Syt) мембраналық ақуыздықтар және MCTP) және ерігіш (RIMS1 және RIMS2, UNC13D, синаптотагминге қатысты ақуыздықтар және B/ K) ақуыздықтар бар. Отбасына SYT1 генінің кодымен кодталған, пресинаптикалық аксон терминалының мембранасындағы Ca2+ сенсорлы синаптотагмин 1 жатады.

C-терминалдық C2 домендері

C2 домені - 130-140 амин қышқылы қалдықтарының кең таралған консервацияланған реттілік мотиві, ол алғаш рет PKC изоформаларында екінші тұрақты реттілік ретінде анықталды. С2 доменінің синаптотагмин 1- де кальцийге байланатыны алғаш рет анықталды. Синаптотагмин 1-дің атомдық құрылымын кейіннен 1.9 Å-ге талдау оның C2 домендері жоғарыдан және төменнен шығатын икемді бұрандалары бар тұрақты сегіз саптық β сэндвичтен құралатынын көрсетті. Синаптотагмин 1- нің ядролық магниттік резонанс (ЯМР) зерттеулері кальцийдің тек жоғарғы циклдерге ғана байланатынын және байлау қалталары бес сақталған аспартат қалдықтарымен үйлестірілетінін көрсетті: үш кальций ионы D172, D178, D230, D232, S235 және D238 арқылы C2A- ға, ал екі кальций ионы D303, D309, D363, 365 және D371 арқылы C2B- ге байланады. Синаптотагминнің барлық С2 домендері кальцийге байланбайды. Шын мәнінде, реттілік ұқсастығы мен биохимиялық талдаулар арқылы расталған сегіз ғана синаптотагмин кальцийге байланады, атап айтқанда, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 және 10 синаптотагминдер. Кальциймен байланысудағы сыншыл қалдықтардың болмауы басқа синаптотагминдермен кальциймен байланысудағы сәтсіздіктің басым бөлігін құрайды. Бұл 11, 12, 13, 14 және 15- синаптотагминнің C2 доменін де, 4 және 8- синаптотагминнің C2A доменін де қамтиды. Алайда, жоғары циклдерде барлық бес қышқыл қалдықтары бар 4 және 11 C2B домендері кальций лигандтарының орындық бағыты бойынша кальцийге байланбайды, өйткені олар кальцийді байлау орындарын дұрыс құра алмайды. Кальциймен байланысатын синаптотагминдер үшін жоғарыда аталғандардан басқа жоғарғы циклдердегі амин қышқылдары қалдықтары кальциймен байланысуды үйлестіруге тікелей қатыспаса да, олар кальциймен байланысу аффинділігіне әсер етеді, мысалы, синаптотагминдегі R233. Кальцийді үйлестіретін амин қышқылдары қалдықтарын қоршап тұрған реттілік пен құрылымдардың әртүрлілігі сегіз синаптотагминді әр түрлі аффинитетте кальцийге байлайды, бұл реттелетін экзоцитоз үшін кальцийдің барлық қажеттіліктерін қамтиды. C2A домені синапты көпіршік экзоцитозының бірігу сатысын реттейді. Осыған сәйкес, C2A доменінің Ca2+ тәуелді фосфолипидті байланыстыру белсенділігінің кинетикасы in vitro нейротрансмиттерді тез босату сипатымен (200 мкс- ге дейін) үйлесімді. C2A доменінің теріс зарядталған фосфолипидтерді Ca2+ тәуелді түрде байлайтыны көрсетілді. Ca2+ байланысы синаптотагминнің ақуыз- ақуыз өзара әрекеттесуін өзгертеді, мысалы, синаптотагминнің синтаксинге аффинитетін арттырады. C2B домені кальций иондары болмаған жағдайда фосфатидил инозитол 3,4,5 трифосфатына (PIP3) және олардың бар болғанда фосфатидил инозитол бифосфатына (PIP2) байланады, бұл липидтер өзара әрекеттесуі ауыстырғышы депполяризация кезінде пайда болады деп болжайды. C2B доменіне Ca2+ байлануы C2B домені арқылы Ca2+ тәуелді өзіндік кластерлеу арқылы синаптикалық көпіршіктердің синтез сатысына қатысатын синаптотагмин димеризациясын береді. C2B домен мен SNAP 25 арасындағы және C2B домен мен кернеулі кальций арналарының тесік құраушы кіші бірлігінің "синпринті" (синаптикалық белоктың өзара әрекеттесуі) мотиві арасындағы Ca2 + тәуелсіз. C2B домені клатрин құрастыру ақуызын, AP 2 белдеуіне байлану арқылы синапты көпіршіктердің қайта өңдеу кезеңін де реттейді.

The C2 domain is a widely occurring conserved sequence motif of 130 140 amino acid residues, which was first defined as the second constant sequence in PKC isoforms. The C2 domain was first shown to bind to calcium in synaptotagmin 1. Subsequent atomic structure analysis of synaptotagmin 1 at 1.9 Å resolution indicated that its C2 domains are composed of a stable eight stranded β sandwich with flexible loops emerging from the top and bottom. Nuclear magnetic resonance (NMR) studies of synaptotagmin 1 revealed that calcium binds exclusively to the top loops, and the binding pockets are coordinated by five conserved aspartate residues: three calcium ions bind to C2A via D172, D178, D230, D232, S235 and D238, and two calcium ions bind to C2B via D303, D309, D363, 365 and D371. Not all synaptotagmin C2 domains bind to calcium. In fact, based on sequence similarities and subsequent confirmation by biochemical analyses, only eight synaptotagmins bind to calcium, namely, synaptotagmin 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 and 10. The lack of critical residues involved in calcium binding accounts for the majority of failure in calcium binding by the other synaptotagmins. This includes both C2 domains of synaptotagmin 11, 12, 13, 14 and 15, and C2A domain of synaptotagmin 4 and 8. Synaptotagmin 4 and 11 C2B domains, which possess all five acidic residues in the top loops, however, do not bind to calcium due to spatial orientation of the calcium ligands that fail to form proper calcium binding sites. For calcium binding synaptotagmins, although amino acid residues in the top loops other than those mentioned above are not directly involved in coordinating calcium binding, they affect calcium binding affinity, such as R233 in synaptotagmin 1. The diversity of sequences and structures flanking the calcium coordinating amino acid residues renders the eight synaptotagmins bind to calcium at various affinities, covering the full range of calcium requirements for regulated exocytosis. The C2A domain regulates the fusion step of synaptic vesicle exocytosis. Consistent with this, the kinetics of Ca2+ dependent phospholipid binding activity of the C2A domain in vitro are compatible with the very fast nature of neurotransmitter release (within 200 μs). The C2A domain was shown to bind negatively charged phospholipids in a Ca2+ dependent fashion. Ca2+ binding alters the protein protein interactions of synaptotagmin such as increasing the affinity of synaptotagmin for syntaxin. The C2B domain binds to phosphatidyl inositol 3,4,5 triphosphate (PIP3) in the absence of calcium ions, and to phosphatidylinositol bisphosphate (PIP2) in their presence, suggesting that a lipid interaction switch occurs during depolarization. Ca2+ binding to the C2B domain confers synaptotagmin dimerization involved in the fusion step of synaptic vesicles by Ca2+ dependent self clustering via the C2B domain. Ca2+ independent is the interaction between the C2B domain and SNAP 25, and between the C2B domain and the "synprint" (synaptic protein interaction) motif of the pore forming subunit of voltage gated calcium channels. The C2B domain regulates also the recycling step of synaptic vesicles by binding to the clathrin assembly protein, AP 2.

Пластичность және оқыту

Синаптотагминнің варианттары жүйке байланыстарын күшейтуге қатысы бар, бұл синапстардағы ұзақ мерзімді потенциацияға (LTP) әкеледі. Синаптотагминнің цитоплазмадағы эндоплазмалық торға орналасуы осы синапстардың өсуін басқарады. Syt1 және Syt7 секілді синаптогминдер сондай-ақ кальцийге тәуелді AMPA рецепторларының нейрон мембранасына экзоцитозында рөл атқарады. Бұл процесс ЛТП-ны қалыптастыруды бастайды және оқытудың негізі болып табылады. Сонымен қатар, синаптотагминдер синапстарында кальцийдің жоғары деңгейіне жауап бере алады, бұл кальцийдің деңгейін ұлғайтады. Астроциттердегі Syt7 қысуы лизосома экзоцитозының әлсіреуі арқылы жарақаттарды қалпына келтіруді болдырмайды, бұл лизосомалармен өзара әрекеттесу арқылы ми зақымдануынан кейін синаптотагмин ақуыздарының жөндеуді қамтамасыз етудегі рөлін көрсетеді. Синаптотагминдер арқылы болатын молекулалық оқиғалардан басқа, бұл ақуыздар танымдық салада үлкен рөл атқарады. Биполярлы бұзылу - синаптотагминдердің өз әсерлерін кеңірек контексте көрсететін бір мысал. Жануарлар үлгілеріндегі синаптотагмин ақуыздарының нокауты BD- ге тән маниакалды және депрессиялық сияқты белгілерді тудырды. Бұл синаптотагминнің жетіспеушілігі БД патологиясымен байланысты екендігін көрсетеді.