华中科技大学：神经递质分泌SNARE复合物稳定性特征决定其介导快速膜融合过程的热力学机制

　　

2022年7月9日，华中科技大学生命科学与技术学院马聪教授课题组在生物物理学领域权威期刊《Biophysical Journal》上在线发表了题为“Stability profile of the neuronal SNARE complex reflects its potency to drive fast membrane fusion”的研究论文，阐述了神经递质分泌SNARE复合物高稳定性以及其特殊的“半组装”（half-zippered）构象的内在因素，建立了SNARE复合物稳定性与其氨基酸组成的理化性质间的数学模型，并揭示了神经递质分泌SNARE复合物稳定性特征决定其介导快速膜融合过程的热力学机制。

SNARE复合物是当前已知的最稳定的蛋白质复合物之一。神经递质分泌SNARE复合物（Syx1-SNAP25-VAMP2）可以在80 °C下仍保持二级结构的完整性，且可以抵抗常见的离子型变性剂及氢键破坏试剂如十二烷基磺酸钠（SDS）及尿素等。同时，神经递质分泌SNARE复合物还被报道具有多种不同的组装构象，如“半组装”（half-zippered）构象，这一现象在热力学上与其高稳定性特征相互冲突。对此，目前尚未有明确的理论解释这一复杂的热力学特征和机制。

在该研究中，马聪教授团队首先在序列比对及进化分析水平上将SNARE复合物中的氨基酸进行功能性分类，并开发了基于荧光共振能量转移技术的蛋白质稳定性表征模型，在此模型基础上通过与多层次的实验实测数据拟合，提出了表征SNARE复合物稳定性的一个整合参数，称为稳定性系数（F_s）。通过对神经递质分泌SNARE复合物中的氨基酸进行改造并表征其稳定性变化（? F_s），研究发现，位于SNARE复合物内层的氨基酸（称为Core类型氨基酸）贡献了绝大部分的稳定性；而位于这些Core类型氨基酸周围的氨基酸（称为Core-side类型氨基酸）则贡献了调节整体复合物稳定性分布的作用，在神经递质分泌SNARE复合物中体现为其氮末端高度稳定，而碳末端处于相对不稳定状态。运用单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，进一步确认了这种稳定性分布的差异，即“半组装”（half-zippered）构象。研究进一步发现，氮末端的预先形成可以增强碳末端组装所释放的自由能，结合上述稳定性特征的结果，可以总结出神经递质分泌SNARE复合物的氮末端及碳末端在保有各自稳定性特征的前提下，其组装自由能的相互耦合关系使复合物整体呈现高稳定性的特征，这一特征机制是神经递质分泌SNARE复合物介导快速膜融合的分子基础。

此外，本研究建立的稳定性模型潜在地可以迁移至其他具有类似结构（α-螺旋）的蛋白质或蛋白质复合体中，为解释不同热力学机制和生理功能间的关系提供了新的思路和角度。同时，建立的稳定性预测模型可以为合理化设计生物活性多肽提供有效的理论基础。

华中科技大学生命科学与技术学院博士后王申为本研究论文的第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院马聪教授为通讯作者。该研究受到了国家重点研发计划—科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目，国家自然科学基金，中国博士后科学基金的支持。

原文链接：https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(22)00559-8

Pubmed：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35810329/

DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.07.013