SNARE-комплекс и механизм слияния везикул¶

SNARE-комплекс — это надмолекулярная белковая структура, состоящая из четырёх спиральных доменов (SNARE-мотивов), которая обеспечивает слияние внутриклеточных мембран, в первую очередь — слияние синаптических везикул с пресинаптической мембраной при нейротрансмиссии. Название происходит от английского Soluble NSF Attachment Protein REceptor — рецептор растворимого фактора прикрепления NSF.

¶Общее понятие о SNARE-белках

SNARE-белки — это семейство трансмембранных или мембраносвязанных белков, содержащих характерный домен длиной около 60–70 аминокислот, способный образовывать α-спираль. Такие домены присутствуют у эукариот, а также у некоторых архей и бактерий (у последних — в упрощённом виде). Ключевое свойство SNARE-мотива — способность к образованию стабильного четырёхспирального пучка (coiled-coil) с другими SNARE-белками.

¶Классификация

SNARE-белки делят по локализации и по структуре.

По локализации:

• v-SNARE (vesicle) — расположены на мембране везикулы; типичный пример — синаптобревин (VAMP2).
• t-SNARE (target) — расположены на мембране-мишени; к ним относятся синтаксин-1 и SNAP-25.

По структуре различают:

• R-SNARE — содержат консервативный остаток аргинина в центральном слое пучка (обычно v-SNARE).
• Q-SNARE — содержат остаток глутамина; подразделяются на Qa, Qb, Qc (обычно t-SNARE).

Функциональный комплекс образуется из одного R-SNARE и трёх Q-SNARE.

¶Строение SNARE-комплекса

В синаптической терминали комплекс формируют:

1. Синтаксин-1 (Qa-SNARE) — заякорен C-концевым трансмембранным доменом в плазматической мембране.
2. SNAP-25 (Qb- и Qc-SNARE) — связан с мембраной через пальмитоилированные цистеиновые остатки, не имеет трансмембранного домена.
3. Синаптобревин/VAMP2 (R-SNARE) — заякорен в мембране везикулы.

Четыре спирали (одна от синтаксина, две от SNAP-25, одна от VAMP2) скручиваются в параллельный четырёхспиральный пучок длиной около 12 нм. Образование этого пучка — центральное событие, приводящее к сближению мембран.

¶Механизм слияния везикул

Процесс слияния принято описывать в несколько этапов.

¶1. Прикрепление (tethering) и докинг

Везикула приближается к активной зоне пресинаптической мембраны с участием белков Rab-семейства и эффекторов (например, Munc13, RIM). Происходит первичное связывание и «докинг» везикулы.

¶2. Сборка транс-SNARE-комплекса

v-SNARE и t-SNARE начинают взаимодействовать, формируя так называемый транс-комплекс. Спирали закручиваются в направлении от N-конца к C-концу («застёжка-молния»), что механически стягивает мембраны.

¶3. Преодоление энергетического барьера

Сборка комплекса высвобождает энергию, достаточную для преодоления гидратационного барьера между липидными бислоями. Дополнительно процесс регулируется:

• синаптотагмином — связывает Ca²⁺ и участвует в замыкании слияния;
• комплексином — удерживает комплекс в состоянии готовности;
• Munc18 — шаперон синтаксина.

¶4. Запуск по кальцию

При поступлении Ca²⁺ через потенциал-зависимые кальциевые каналы (в первую очередь CaV2.1 и CaV2.2) синаптотагмин связывает ионы, что снимает ингибирование и запускает завершение сборки комплекса. Мембраны сливаются, содержимое везикулы высвобождается в синаптическую щель (экзоцитоз).

¶5. Рециклизация

После слияния комплекс переходит в цис-конфигурацию. Белки NSF (N-этилмалеимид-чувствительный фактор) и α-SNAP с использованием энергии АТФ разбирают комплекс, возвращая SNARE-белки в исходное состояние для нового цикла.

¶Роль в клетке и патологии

Помимо нейротрансмиссии, SNARE-белки участвуют в секреции гормонов, экзоцитозе в иммунных клетках, транспорте между компартментами аппарата Гольджи и эндосомами.

Нарушения работы SNARE-комплекса связаны с рядом патологий:

• ботулинические и столбнячные токсины — цинк-зависимые протеазы, расщепляющие VAMP, SNAP-25 или синтаксин, что блокирует выброс нейромедиатора;
• отдельные формы эпилепсии и нейродегенерации связывают с мутациями в генах SNARE-белков;
• нарушение регуляции экзоцитоза наблюдается при диабете 2-го типа.

¶Методы изучения

Ключевые данные получены методами:

• рентгеновской кристаллографии — определена структура четырёхспирального пучка (работа Р. Джана и Т. Зюдхофа, 1998);
• электронной микроскопии — визуализация стадий докинга и слияния;
• генетических нокаутов у мышей и Drosophila;
• липосомных систем реконструкции — минимальные наборы SNARE достаточны для слияния мембран in vitro.

За исследования механизма везикулярного транспорта Рэнди Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 2013 году.