Nature｜哺乳动物大脑V-ATPase的模式调节 供能量

顾汉现

Nature｜哺乳动物大脑V-ATPase的模式调节  供能量

液泡型三磷酸腺苷酶V-ATPases（Vacuolar-type adenosine triphosphatases）是一种与F型ATP合成酶结构相关的质子泵，利用ATP水解过程中释放的能量将质子泵过细胞膜，是细胞内酸化以及酸分泌所必须的。V-ATPases首先被发现于酵母细胞的液泡膜，因而得名。在神经元中，每个突触囊泡约有一个V-ATPases，为所有神经递质进入突触囊泡提供能量。

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2022/11/28

论文
论文标题：Regulation of the mammalian-brain V-ATPase through ultraslow mode-switching
作者：Kosmidis, Eleftherios, Shuttle, Christopher G., Preobraschenski, Julia, Ganzella, Marcelo, Johnson, Peter J., Veshaguri, Salome, Holmkvist, Jesper, Møller, Mads P., Marantos, Orestis, Marcoline, Frank, Grabe, Michael, Pedersen, Jesper L., Jahn, Reinhard, Stamou, Dimitrios

期刊：Nature
发表时间：2022/11/23
数字识别码：10.1038/s41586-022-05472-9
摘要：Vacuolar-type adenosine triphosphatases (V-ATPases)1,2,3 are electrogenic rotary mechanoenzymes structurally related to F-type ATP synthases4,5. They hydrolyse ATP to establish electrochemical proton gradients for a plethora of cellular processes1,3. In neurons, the loading of all neurotransmitters into synaptic vesicles is energized by about one V-ATPase molecule per synaptic vesicle6,7. To shed light on this bona fide single-molecule biological process, we investigated electrogenic proton-pumping by single mammalian-brain V-ATPases in single synaptic vesicles. Here we show that V-ATPases do not pump continuously in time, as suggested by observing the rotation of bacterial homologues8 and assuming strict ATP–proton coupling. Instead, they stochastically switch between three ultralong-lived modes: proton-pumping, inactive and proton-leaky. Notably, direct observation of pumping revealed that physiologically relevant concentrations of ATP do not regulate the intrinsic pumping rate. ATP regulates V-ATPase activity through the switching probability of the proton-pumping mode. By contrast, electrochemical proton gradients regulate the pumping rate and the switching of the pumping and inactive modes. A direct consequence of mode-switching is all-or-none stochastic fluctuations in the electrochemical gradient of synaptic vesicles that would be expected to introduce stochasticity in proton-driven secondary active loading of neurotransmitters and may thus have important implications for neurotransmission. This work reveals and emphasizes the mechanistic and biological importance of ultraslow mode-switching.

所属学科：
生物
撰文 | 十一月


液泡型三磷酸腺苷酶V-ATPases（Vacuolar-type adenosine triphosphatases）是一种与F型ATP合成酶结构相关的质子泵，利用ATP水解过程中释放的能量将质子泵过细胞膜，是细胞内酸化以及酸分泌所必须的【1-3】。V-ATPases首先被发现于酵母细胞的液泡膜，因而得名。在神经元中，每个突触囊泡约有一个V-ATPases，为所有神经递质进入突触囊泡提供能量【4】。但是目前为止V-ATPases作用单分子模型还尚不可知。

2022年11月23，丹麦哥本哈根大学Dimitrios Stamou研究组在Nature上发表了文章Regulation of the mammalian-brain V-ATPase through ultraslow mode-switching，发现V-ATPases并不是连续转运质子，而是存在三种不同的作用模式，分别是质子泵模式（Proton-pumping）、失活模式（Inactive）以及质子泄漏模式（Proton-leaky），从单分子水平的揭开了V-ATPase的工作原理。



V-ATPases的功能在许多不同的细胞、生理以及病理过程中都很重要，包括膜运输、信号传递以及癌症转移等等。在神经元突触囊泡中，V-ATPases将质子转移进入突触囊泡腔内。为了对V-ATPases在单分子水平上进行理解，作者们对V-ATPases酶功能进行的测量，并对其作用机制进行揭示。

为了保持哺乳动物大脑V-ATPases酶的质子泵活性，作者们直接从完整的突触囊泡中分离出了内源性V-ATPases，可以使用基因编码的pH传感器测量突触囊泡中pH的变化来表征质子的转运。为了观察单个突触囊泡中V-ATPases在长达3小时内的活性，作者们在突触囊泡中加入了16-300个光稳定的合成的pH指示物DOPE-pHrodo（图1）。

为了激活V-ATPases，作者们添加了ATP，大约15分钟后达到的pH平台阶段，反映了质子主动泵入腔内和质子被动沿浓度梯度向下渗透到膜之间所达到的动态平衡。通过加入V-ATPases特异性抑制剂阻断质子泵的作用，质子梯度会发生不可逆的坍塌。


图1 观测V-ATPases单分子水平作用模式

为了量化V-ATPases不同模式的转变，作者们开发了一个随机的贝叶斯检验模型，通过对停留时间进行分析，揭示出V-ATPases的作用模式。作者们发现激活的V-ATPases可以退出质子泵模式，切换到失活或者质子泄漏模式。进一步地，作者们对原位单分子V-ATPases质子泵的质子梯度进行测量，发现pH的梯度变化调节V-ATPases质子泵在不同模式之间进行转换。

ATP这一催化底物的可用性对于的V-ATPases质子泵的活性也是必不可少的。在该工作中作者们首次在单分子水平上测试了ATP对于质子泵的影响，发现广泛的生理相关ATP浓度也参与到调节质子泵的模式切换。


图2 工作模型

总的来说，作者们在该工作中利用鼠脑中直接纯化的V-ATPases质子泵首次在单分子水平上揭开了其不同变化模式，哺乳动物中的V-ATPases质子泵可以在pH梯度以及ATP底物调节下从活跃的质子泵模式转换为失活或者质子泄漏模式（图2），强调了神经递质传递以及质子泵模式转换的机理以及生物学重要性。

制版人：十一



参考文献

1. Vasanthakumar, T. & Rubinstein, J. L. Structure and roles of V-type ATPases. Trends Biochem. Sci. 45, 295–307 (2020).

2. Ueno, H., Suzuki, K. & Murata, T. Structure and dynamics of rotary V1 motor. Cell. Mol. Life Sci. 75, 1789–1802 (2018).

3. Forgac, M. Vacuolar ATPases: rotary proton pumps in physiology and pathophysiology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 917–929 (2007)

4. Takamori, S. et al. Molecular anatomy of a trafficking organelle. Cell 127, 831–846 (2006).


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文章标签
液泡型三磷酸腺苷酶V-ATPases
质子泵模式
失活模式
质子泄漏模式

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

https://www.linkresearcher.com/t ... f-811b-943889b49860



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