Fusion membranaire
Rapprochement des membranes (2)
Formation du complexe trans-SNARE (1)
Rôle du domaine SNARE

Le processus d'assemblage est un continuum qui produit :

• un complexe trans-SNARE, i.e. les SNARE sur des membranes opposées,

• 

  un complexes cis-SNARE, i.e. les SNARE sur la même membranes.

Vue d'ensemble de la
formation du complexe
trans-SNARE

1. La formation du faisceau à quatre hélices commence à l'extrémité N-terminale du domaine SNARE pour se poursuive dans les liens (linker) jusqu'aux domaines transmembranaires ou TMD (N- to C-Terminal SNARE Complex Assembly Promotes Rapid Membrane Fusion 2006 et Helical extension of the neuronal SNARE complex into the membrane 2011).

2. En raison de la rigidité du lien en liaison avec les domaines SNARE et les TMD, la fermeture à glissière rapproche les TMD et les aligne finalement l'un avec l'autre lors de la fusion.

• Les TMD exercent donc une force sur ces membranes.
• Les TMD ont des fonctions mécaniques qui vont au-delà de l'ancrage passif du complexe SNARE générateur de force à la fusion des membranes

Cependant, on ne sait pas comment cette force est transmise aux extrémités C-terminales des TMD, i.e. partie qui doit agir activement sur le feuillet interne de la bicouche pour pouvoir par la suite, produire un stade intermédiaire d'hémifusion, puis pour ouvrir et élargir un pore de fusion.

• En effet, les SNARE avec un TMD tronqué ou avec une ancre de membrane lipidique, qui ne couvre que la moitié de la bicouche, sont inefficaces pour former des pores de fusion.
• L'activité de fusion des complexes SNARE portant une ancre lipidique est stimulée in vitro par L'ajout de molécules volumineuses associées aux SNARE, comme les complexes d'arrimage à multi-sous-unités (MTC ou Multisubunit Tethering Complexes), i.e. HOPS ( fusion et encombrement stérique).

La force que les complexes SNARE peuvent exercer sur les intermédiaires de fusion dépend de la structure secondaire adoptée du lien de liaison reliant le domaine SNARE au TMD

Étapes de la fermeture à glissière des domaines SNARE

Lors de la fermeture à glissière SNARE, les SNARE doivent passer d'une conformation dépliée à une conformation continue α-hélicoïdale et se plier en même temps (SNARE zippering 2016 et Structural dynamics and transient lipid binding of synaptobrevin-2 tune SNARE assembly and membrane fusion 2019).

1. La syntaxine 1 (Qa) et SNAP-25 (Qb/c avec ces deux domaines SNARE) forment un complexe t-SNARE binaire 1:1 (ou complexe Qabc) qui un faisceau parallèle à trois hélices avec des terminaisons C désordonnées, i.e. couches +5 à + 8.

• La liaison du complexe t-SNARE à la synaptobrévine 2/VAMP2 est relativement rapide (Kinetic barriers to SNAREpin assembly in the regulation of membrane docking/priming and fusion 2016).

• 

  Cependant, lorsque les trois SNARE sont mélangés simultanément, l'assemblage du complexe ternaire est beaucoup plus lent, i.e. nécessitant des dizaines de minutes à des heures.

Une fois assemblé, le complexe ternaire SNARE est exceptionnellement stable (Helical extension of the neuronal SNARE complex into the membrane 2011).

2. La synaptobrévine 2/VAMP2 se lie au complexe t-SNARE de manière progressive par étape, la région correspondante de VAMP2 se repliant en une conformation α-hélicoïdale (Single Reconstituted Neuronal SNARE Complexes Zipper in Three Distinct Stages 2012 et Stability, folding dynamics, and long-range conformational transition of the synaptic t-SNARE complex 2016).

• a. Tout d'abord, c'est le cas du NTD du domaine SNARE de VAMP2, i.e. les couches -7 à -1, qui s'effectue de manière lente.
• b. Puis, le CTD du domaine SNARE, i.e. couches 0 à +8, se replie de manière extrêmement rapide, sans aucune barrière énergétique, ce qui stabilise les couches 0 à +4 du complexe t-SNARE et induit alors le repliement des couches +5 à +8 (Stability, folding dynamics, and long-range conformational transition of the synaptic t-SNARE complex 2016),
• c. Enfin, survient la reconfiguration du lien (linker) juxtamembranaire (LD).

Remarque : dans l'ensemble, l'assemblage d'un seul complexe synaptique SNARE produit une énergie totale d'environ 85 k_BT, dont 68 k_BT provenant de la fermeture éclair entre les t- et v-SNARE et 17 k_BT provenant du repliement du complexe t-SNARE (Chaperoning SNARE Folding and Assembly 2021).

3. Les différents repliements du domaine SNARE semblent avoir des fonctions distinctes (Chaperoning SNARE Folding and Assembly 2021).

• 

  La fermeture éclair NTD est responsable de l'amarrage des vésicules synaptiques et de l'amorçage des SNARE pour la fusion déclenchée par Ca⁺⁺.
• La fermeture éclair CTD est étroitement couplée à la fusion de la membrane et à la libération des neurotransmetteurs.

4. Le pliage prématuré d'une seule des SNARE dans une tige α-hélicoïdale peut contraindre la région de liaison de l'autre moitié du complexe SNARE dans une conformation trop courbée, ce qui peut empêcher l'hélice d'adopter une structure continue (How SNARE molecules mediate membrane fusion: Recent insights from molecular simulations 2012).

• Cette conformation arrête ainsi la progression de la fermeture à glissière SNARE et altère la transduction de force efficace des domaines SNARE vers les TMD.
• Ce phénomène pourrait expliquer pourquoi des mutations dans la région du TMD de la synaptobrévine 2/VAMP2, qui améliorent en fait l'hélicité et la rigidité du lien dans les simulations moléculaires, réduisent néanmoins l'activité de fusion observée expérimentalement ( flexibilié conformationnelle des TDM des v-SNARE).

Par exemple, Munc18 déplace l'équilibre d'un complexe intermédiaire demi-zippé vers le complexe entièrement zippé (Munc18 and Munc13 serve as a functional template to orchestrate neuronal SNARE complex assembly 2019).

Vision énergétique

Le rapprochement des deux membranes nécessite un apport d'énergie important pour surmonter les forces électrostatiques répulsives.

1. Une des hypothèses les plus plausibles est que les protéines SNARE par la formation du complexe trans-SNARE libère de l'énergie pour courber la membrane ( courbure membranaire).

• Au fur et à mesure que les domaines SNARE s'enroulent, ils forment un faisceau à quatre hélices beaucoup plus serré et plus stable en forme de fermeture éclair.
• Lors de la formation de la fermeture éclair, une fraction de l'énergie libérée par la liaison des domaines SNARE est stockée sous forme de contrainte de flexion moléculaire dans les motifs SNARE individuels.

• 

  Cette contrainte mécanique est supposée être stockée dans les liens (linker), régions de liaison semi-rigides entre les domaines transmembranaires (TMD) et le faisceau SNARE hélicoïdal.

Remarque : dans l'ensemble, l'assemblage d'un seul complexe synaptique SNARE produit une énergie totale d'environ 85 k_BT, dont 68 k_BT provenant de la fermeture éclair entre les t- et v-SNARE et 17 k_BT provenant du repliement du complexe t-SNARE (Munc18-1-regulated stage-wise SNARE assembly underlying synaptic exocytosis 2015).

2. La flexion énergétiquement défavorable est minimisée lorsque le complexe se déplace en périphérie où lea courbure est plus importante ( complexe trans-SNARE et encombrement stérique).

Rôles du lien et du domaine transmembranaire (TMD)