Synaptotagmin

Введение

Синаптотагмины (SYT) представляют собой семейство мембранных трафик-белков, которые характеризуются N-терминальной трансмембранной областью (TMR), переменным линкером и двумя C-терминальными C2 доменами C2A и C2B. В семье синаптотагмина млекопитающих существует 17 изоформ. Существует несколько семейств белков домена C2, содержащих синаптотагмины, включая трансмембранные (ферлины, протеин мембраны расширенного синаптотагмина (E Syt) и MCTP) и растворимые (RIMS1 и RIMS2, UNC13D, связанные с синаптотагмином белки и B/ K) белки. В семейство входит синаптотагмин 1, датчик Ca2+ в мембране пресинаптического аксонного терминала, кодируемый геном SYT1.

C-концевые домены C2

Домен C2 - это широко распространенный консервативный мотив последовательности из 130-140 аминокислотных остатков, который был впервые определен как вторая постоянная последовательность в изоформах PKC. Впервые было показано, что домен C2 связывается с кальцием в синаптотагмине 1. Последующий анализ атомной структуры синаптотагмина 1 с разрешением 1,9 Å показал, что его домены C2 состоят из стабильного восьмицепочечного β-сандушка с гибкими петлями, выходящими сверху и снизу. Исследования ядерного магнитного резонанса (ЯМР) синаптотагмина 1 показали, что кальций связывается исключительно с верхними петлями, а связывающие карманы координируются пятью консервированными остатками аспартата: три иона кальция связываются с C2A через D172, D178, D230, D232, S235 и D238, а два иона кальция связываются с C2B через D303, D309, D363, 365 и D371. Не все домены синаптотагмина С2 связываются с кальцием. На самом деле, на основе сходства последовательностей и последующего подтверждения биохимическими анализами, только восемь синаптотагминов связываются с кальцием, а именно, синаптотагмин 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9 и 10. Отсутствие критических остатков, участвующих в связывании кальция, объясняет большинство неудач в связывании кальция другими синаптотагминами. Это включает в себя как C2 домены синаптотагмина 11, 12, 13, 14 и 15, так и C2A домены синаптотагмина 4 и 8. Однако домены 4 и 11 C2B синаптотагмина, которые имеют все пять кислотных остатков в верхних петлях, не связываются с кальцием из-за пространственной ориентации лигандов кальция, которые не могут сформировать надлежащие места связывания кальция. Для кальциевых синаптотагминов, хотя аминокислотные остатки в верхних петлях, кроме упомянутых выше, не участвуют непосредственно в координации связывания кальция, они влияют на аффинность связывания кальция, например, R233 в синаптотагмине 1. Разнообразие последовательностей и структур, окружающих остатки аминокислот, координирующих кальций, позволяет восьми синаптотагминам связываться с кальцием с различной аффинностью, охватывая весь спектр потребностей в кальцие для регулируемого экзоцитоза. Домен C2A регулирует этап синтеза экзоцитоза синаптических везикул. В соответствии с этим, кинетика связывающей активности домена C2A с фосфолипидами, зависящей от Ca2+ in vitro, совместима с очень быстрым выделением нейротрансмиттеров (в пределах 200 мкс). Доказано, что домен C2A связывает отрицательно заряженные фосфолипиды в зависимости от Ca2+. Связывание с Ca2+ изменяет взаимодействие синаптотагмина с белковыми белками, например, увеличивает аффинность синаптотагмина к синтаксину. Домен C2B связывается с фосфатидилоинозитолом 3,4,5 трифосфатом (PIP3) в отсутствие ионов кальция и с фосфатидилинозитолом бифосфатом (PIP2) в их присутствии, что предполагает, что во время деполяризации происходит переключение липидного взаимодействия. Связывание Ca2+ с доменом C2B приводит к димеризации синаптотагмина, участвующей в стадии слияния синаптических везикул, посредством зависимого от Ca2+ самокластеризации через домен C2B. Независимо от Ca2+ взаимодействие между доменом C2B и SNAP 25, а также между доменом C2B и "синпринтом" (взаимодействием синаптического белка) мотивом порообразующей подединицы кальциевых каналов с закрытыми напряжением. Домен C2B также регулирует стадию рециркуляции синаптических везикулов, связываясь с белком клатринового сборника AP 2.

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 и обучение

Варианты синаптотагмина были связаны с усилением нейронных связей, что приводит к долгосрочной потенции (LTP) в синапсах. Локализация синаптотагмина в эндоплазматическом сетчатке в цитоплазме стимулирует рост этих синапсов. Синаптогмины, такие как Syt1 и Syt7, также играют роль в экзоцитозе рецепторов AMPA, зависящих от кальция, на мембрану нейрона. Этот процесс инициирует формирование LTP и лежит в основе обучения. Кроме того, синаптотагмины способны реагировать на повышенные уровни кальция в синапсах во время однократного потенциала действия путем дальнейшего повышения уровня кальция через вывод из внутриклеточных запасов. Супрессия Syt7 в астроцитах препятствует восстановлению повреждений через ослабленный лизосомный экзоцитоз, что предполагает роль белков синаптотагмина в посредничестве в восстановлении после повреждения мозга путем взаимодействия с лизосомами. Кроме молекулярных событий, опосредованных синаптотагминами, эти белки также играют большую роль в когнитивной сфере. Биполярное расстройство является примером одного из таких случаев, когда синаптотагмины проявляют свои эффекты в более широком контексте. Нокаут белков синаптотагмина в моделях животных вызвал как маниакальные, так и депрессивные симптомы, характерные для БД. Это говорит о том, что истощение синаптотагмина связано с патологией БД.