哺乳动物脑部V-ATP酶通过超慢模式切换进行调节

论文ID

题目：Regulation of the mammalian-brain V-ATPase through ultraslow mode-switching

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2022年11月23日

通讯作者单位：哥本哈根大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05472-9

主要内容：

V-ATP酶在神经细胞之间的突触连接处将质子泵入囊泡，对神经元的交流至关重要。对单个V-ATP酶分子的观察显示，它们在质子泵送、静止和泄漏模式之间随机切换，每种模式持续数分钟，对神经传递有潜在影响。

V-ATP酶是一种分解ATP分子的酶，用于泵送质子穿过细胞膜。因此，它们对细胞内大多数膜上细胞器的酸化至关重要。在神经细胞中，由V-ATP酶建立的质子梯度为被称为神经递质的神经化学信使装入突触小泡提供能量，以便随后在突触连接处释放。尽管V-ATP酶在突触小泡装载中起着关键作用，但每个突触小泡大约只包含一个V-ATP酶分子。因此，单个V-ATP酶分子功能的任何基于概率的（随机的）变化都会影响突触-囊泡的装载和神经元的交流。作者首次监测了单个V-ATP酶在单个突触小泡中的质子泵作用。

为了直接观察单个突触小泡在数小时内的酸化情况，作者从大鼠大脑中分离出突触小泡，并在每个突触小泡上加载16至300份荧光pH指示剂。然后作者将突触小泡以低密度拴在玻璃上，这样作者就可以用荧光显微镜对它们进行单独成像。作者加入ATP来启动突触小泡的酸化，并使用两种计算方法分析了单个突触小泡的酸化动力学。其中一种方法，即贝叶斯事件检测，被用来估计V-ATP酶活动的变化时间。第二种方法对质子泵的动力学进行建模。

作者的数据显示，V-ATP酶在时间上并不连续泵送质子，这是在观察了来自细菌的类似泵和假设ATP分解和质子泵之间有严格耦合的模型后提出的。相反，V-ATP酶在三种长效模式之间随机切换，每种模式都持续几分钟：质子泵送、不活动和质子泄漏（图1b）。出乎意料的是，作者的观察显示，通常在细胞中发现的ATP浓度并不能调节V-ATP酶的内在泵送速率。相反，ATP的浓度会影响V-ATP酶分子切换到质子泵模式的概率。相比之下，跨越囊膜的质子梯度可以调节泵送速率，以及泵送模式和非活跃模式之间的切换。这些结果揭示并强调了蛋白质功能模式间 "超慢 "切换的机制和生物学重要性。

几十年来，转运蛋白（如V-ATP酶）的功能调节被认为是通过转运速率的增加和减少来体现的。作者的数据，以前是关于P型ATP酶1的，现在是关于V型ATP酶的，揭示了另一种模式，即在运输速率固定的模式之间存在着过渡概率的调节。值得注意的是，质子泵通过进化趋于共享运输机制，这些机制与运输其他离子和小分子的蛋白质的机制不同。

如果作者能够研究这些其他分子的运输，也是在单分子水平和几个小时的时间内，作者可以测试一个有趣的假设，即通过超慢模式切换来调节运输是 "初级 "活性转运蛋白的一般属性，也可能是 "次级 "活性转运蛋白。初级转运蛋白，如V-ATP酶，利用它们产生的能量（例如，通过分解ATP）来创造跨膜的离子浓度梯度。这些梯度随后驱动二级活性转运体或为其提供能量。

由于每个突触囊泡只有一个V-ATP酶分子，模式转换的一个直接含义是整个囊泡的质子梯度存在随机的 "全或无 "波动。质子梯度的随机崩溃，为神经递质的加载提供了能量，可能对神经递质有重要影响。

更广泛地说，许多膜受体蛋白和酶被认为是以几乎单分子拷贝数在纳米级域和纳米级细胞器中进行分隔。在这种情况下，超低速模式切换是否存在，以及如果存在，它如何影响下游的细胞信号，仍有待观察。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05472-9

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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