シナプス膜融合のためのシンタキシンクラスタリングとオプトジェニック制御

Syntaxin Clustering and Optogenetic Control for Synaptic Membrane Fusion.

• Miaoling Li
• Teak-Jung Oh
• Huaxun Fan
• Jiajie Diao
• Kai Zhang

抄録

シナプス伝達中の膜融合は、化学シグナルの輸送とニューロンコミュニケーションを媒介しています。膜融合の速度はミリ秒オーダーで、SNAREと付属タンパク質のアセンブリによって正確に制御されています。SNARE複合体の形成が膜融合の鍵を握っていると考えられています。しかし、複数のSNAREと付属タンパク質を含む大規模な融合前複合体の形成を媒介する分子機構については、ほとんど知られていない。膜上の膜貫通型タンパク質であるシンタキシンは、オリゴマー化を経てクラスターを形成することが観察されている。このクラスタリングが膜融合に重要な役割を果たしているかどうかは、生細胞ではよくわかっていません。オプトジェネティクスは、タンパク質とタンパク質の相互作用を時空間的に精密に制御することができる新しいバイオテクノロジーである。本研究では、シンタキシンクラスターが膜融合を制御する分子機構の理解を深めることを目的として、オプトジェネティクスと単一ベシクル膜融合を組み合わせた実験手法を提案する。また、新たに開発されたオプトジェネティクス手法を用いることで、生きた細胞や動物のシナプス伝達の仕組みを理解することができると考えています。

Membrane fusion during synaptic transmission mediates the trafficking of chemical signals and neuronal communication. The fast kinetics of membrane fusion on the order of millisecond is precisely regulated by the assembly of SNAREs and accessory proteins. It is believed that the formation of the SNARE complex is a key step during membrane fusion. Little is known, however, about the molecular machinery that mediates the formation of a large pre-fusion complex, including multiple SNAREs and accessory proteins. Syntaxin, a transmembrane protein on the plasma membrane, has been observed to undergo oligomerization to form clusters. Whether this clustering plays a critical role in membrane fusion is poorly understood in live cells. Optogenetics is an emerging biotechnology armed with the capacity to precisely modulate protein-protein interaction in time and space. Here, we propose an experimental scheme that combines optogenetics with single-vesicle membrane fusion, aiming to gain a better understanding of the molecular mechanism by which the syntaxin cluster regulates membrane fusion. We envision that newly developed optogenetic tools could facilitate the mechanistic understanding of synaptic transmission in live cells and animals.

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