Fusion vésiculaire : protéines SNARE
Régulation des protéines SNARE
Synaptotagmines : mécanisme général

Différents modèles controversés, mais qui peuvent se chevaucher partiellement, ont été formulés pour expliquer comment la synaptotagmine-1 (Syt1) et la complexine (Cplx) couplent la liaison Ca⁺⁺ à la fusion membranaire ( modèles de régulation des protéines SNARE).

Le modèle décrit ci-dessous correspondrait à un mélange des modèles suivants :

• Modèle 1 : déverrouillage des SNARE par Syt1 en déplaçant Cplx,
• Modèle 2 : courbure de la membrane par Syt1.

Remarque : il pourrait être compatible avec le modèle 3 : oligomérisation circulaire.

Avant l'influx calcique

La membrane vésiculaire contient les phospholipides chargés négativement, i.e. phosphatidylsérine (PS) et phosphatidylinositol (PtdIns), et la membrane plasmique contient PS et PI(4,5)P2 ou PIP2, i.e. les deux ont une charge nette de -1 (Molecular Anatomy of a Trafficking Organelle 2006).

1. Syt1 est attaché en continu à la membrane des vésicules synaptiques (VS) à la fois dans une conformation liée au Ca⁺⁺ ou pas (The Morphological and Molecular Nature of Synaptic Vesicle Priming at Presynaptic Active Zones 2014 et PdInsP2 and PtdSer cooperate to trap synaptotagmin-1 to the plasma membrane in the presence of calcium 2016).

• Syt1 est lié à la phosphatidylsérine (PS) et au phosphatidylinositol (PtdIns) de la vésicule synaptique.
• Les charges négatives des poches de liaison au Ca⁺⁺ provoquent une répulsion électrostatique de la membrane présynaptique chargée elle aussi négativement, i.e. les domaines C2 ne peuvent pénétrer dans la membrane présynaptique.

2. L'interface tripartite SNARE-Cplx-Syt1 active et verrouille en même temps le complexe, gardant le complexe trans-SNARE sous tension à moitié zippé et les membranes séparées, empêchant ainsi la fusion des membranes.

Suite à l'influx calcique

Attraction Syt1/membrane plasmique

Suite à l'influx calcique, la liaison au Ca⁺⁺ aux poches de Syt1 fait apparaître une charge positive nette (Control of membrane gaps by synaptotagmin-Ca2+ measured with a novel membrane distance ruler 2014).

Rappelons que les boucles de liaison Ca⁺⁺ des domaines C2 de Syt1 ne sont impliquées ni dans les interfaces primaires, ni dans les tripartites.

1. la répulsion électrostatique de la membrane présynaptique est changée en attraction (Calcium Binding by Synaptotagmin's C2A Domain is an Essential Element of the Electrostatic Switch That Triggers Synchronous Synaptic Transmission 2012).

C2B se lie au PI(4,5)P2 ou PIP2 via le patch polybasique de C2B, i.e. PIP2 (charge nette −4 à pH neutre) renforce l'affinité de liaison de Syt1.

2. La séquestration de la phosphatidylsérine (PS) complète le processus.

Insertion membranaire de Syt1

Vue d'ensemble

1. Les résidus hydrophobes des boucles de liaison au Ca⁺⁺ de Syt1 sont insérés dans la membrane plasmique (Differential Membrane Binding Mechanics of Synaptotagmin Isoforms Observed at Atomic Detail 2017).

a. Les boucles 1 ou 3 établissent plus de contacts avec la membrane que la boucle 2, excepté dans C2A ou C2B de Syt7 chez lesquels elle entre en contact par trois résidus basiques consécutifs avec les phospholipides membranaires.

b. Syt1 lie Ca⁺⁺ et relie les deux bicouches de sorte que C2A et C2B se lient aux surfaces opposées de la bicouche via leurs boucles de liaison Ca⁺⁺.

• C2B entrerait en contact avec les deux surfaces bicouches par les côtés opposés du domaine (Solution and Membrane-Bound Conformations of the Tandem C2A and C2B Domains of Synaptotagmin 1: Evidence for Bilayer Bridging 2010).
• Syt1 pourrait modifier la distance membrane vésiculaire/membrane plasmique, et il est concevable que cet événement puisse déclencher l'assemblage SNARE ( dévérrouillage du complexe SNARE).

c. La séquestration (démixtion) de la phosphatidylsérine (PS), lors de l'association membranaire, produit un changement dans la distribution des lipides chargés qui pourrait (Synaptotagmin 1 Modulates Lipid Acyl Chain Order in Lipid Bilayers by Demixing Phosphatidylserine 2011) :

• moduler l'association membranaire d'autres protéines, telles que Munc13 ou les régions juxta-membranaires des SNARE,
• conduire à une déformation de courbure positive.

2. Simultanément, le patch polybasique améliore son affinité pour PI(4,5)P2 ou PIP2, conduisant à une pénétration plus profonde du site de liaison Ca⁺⁺ dans la bicouche.

Les fonctions d'amarrage/amorçage du patch de lysine polybasique facilitent la libération, mais ne sont pas essentielles puisque les sites de liaison au Ca⁺⁺ restent intacts et permettent toujours la liaison à la PS et l'insertion de la membrane.

3. La liaison de Ca⁺⁺ augmente le temps de séjour de Syt1 sur la membrane résultant d'une stabilité cinétique élevée du complexe Syt-1-membrane, en permettant un contact plus intime avec la bicouche plutôt qu'en favorisant une amélioration de l'association synaptotagmine/membrane.

• Cette augmentation du temps de séjour rapprocherait les deux membranes par la rotation conformationnelle des domaines C2 et initierait une fermeture éclair SNARE complète (Function of Drosophila Synaptotagmins in membrane trafficking at synapses 2021).

Syt1 versus Syt7

La synaptotagmine 1 et la synaptotagmine 7 sont deux capteurs de calcium qui régulent l'exocytose dans les cellules neuronales et neuroendocrines (Synaptotagmin-7 outperforms synaptotagmin-1 to promote the formation of large, stable fusion pores via robust membrane penetration 2023).

Lors de la liaison du calcium, les deux protéines pénètrent partiellement les bicouches lipidiques qui portent des phospholipides anioniques.

1. Les interactions de Syt1 avec la membrane sont grandement influencées par l'ordre membranaire.

L'emballage serré de la phosphatidylsérine inhibe la liaison en raison d'une altération de la pénétration de la membrane.

2. En revanche, Syt7 a une activité de liaison et de pénétration de la membrane plus robuste quelle que soit la structure de la chaîne acyle des phospholipides.

Elle permet ainsi la formation de pores plus grands et plus stables que ceux de Syt1.

Rôle dans le couplage exocytose/endocytose

La synaptotagmine 1 (Syt1) couple la fusion exocytaire des vésicules synaptiques (VS) à la récupération endocytaire des membranes des VS en favorisant la formation locale de PI(4,5)P2 sur les sites présynaptiques (Coupling of exocytosis and endocytosis at the presynaptic active zone 2023).

Stn2 (Syt1-selective sorting adaptor Stonin 2) est l'adaptateur de tri sélectif de Syt1 qui interagit physiquement et fonctionnellement avec le domaine C2A de la synaptotagmine 1 pour faciliter son internalisation grâce à AP-2 (Stonin 2 Is an AP-2-Dependent Endocytic Sorting Adaptor for Synaptotagmin Internalization and Recycling 2004 et Molecular basis of synaptic vesicle cargo recognition by the endocytic sorting adaptor stonin 2007).

1. Après exocytose, Syt1 exocytée, mais pas vésiculaire, s'accumule sur la membrane plasmique présynaptique contrairement aux autres protéines vésiculaires (Compromised fidelity of endocytic synaptic vesicle protein sorting in the absence of stonin 2013).

• Elle recrute PIPKIγ, i.e. enzyme de synthèse de PI(4,5)P2, sur les sites endocytaires.
• PI(4,5)P2 est synthétisé localement dans la zone péri-active.

2. La synthèse locale de PI(4,5)P2 déclenchée par Syt1 est probablement en synergie avec d'autres mécanismes potentiels de couplage exo-endocytaire (couplage exocytose/endocytose).

Courbure membranaire

1. Lors de la liaison à Ca⁺⁺, C2B courbe la membrane présynaptique pour favoriser la fusion membranaire par le déplacement de son hélice C-terminale (HB) du haut vers le bas, i.e. en direction de la membrane (Synaptotagmin-Mediated Bending of the Target Membrane Is a Critical Step in Ca2+-Regulated Fusion 2009 et Synaptotagmin-1 Utilizes Membrane Bending and SNARE Binding to Drive Fusion Pore Expansion 2008 et Synaptotagmin’s Role in Neurotransmitter Release Likely Involves Ca2+-induced Conformational Transition 2014).

• Les queues lipidiques du feuillet proximal interagissent avec l'hélice déplacée et deviennent désordonnées.

• 

  Les queues du feuillet distal, pour rester en contact avec le feuillet proximal, s'étirent et s'ordonnent.

2. Les deux résidus hydrophobes, localisés à l'extrémité des boucles de liaison Ca⁺⁺ de chaque domaine C2 de Syt1, i.e M173, F234, V304 et I367, sont partiellement insérés dans le feuillet interne de la membrane plasmique (10 Å de profondeur) et peuvent induire une déformation locale de la membrane plasmique.

3. La courbure locale médiée par l'insertion membranaire de Syt1 peut faciliter la fusion des vésicules en abaissant la barrière énergétique des intermédiaires, y compris l'apposition étroite de la membrane, la formation de tiges de fusion et les ouvertures des pores de fusion (Protein-lipid interplay in fusion and fission of biological membranes 2003).

• Le temps de séjour accru de Syt1 et l'insertion approfondie de Syt1 dans la membrane peuvent déstabiliser la bicouche et ainsi contribuer à surmonter la barrière énergétique pour enclencher la fusion (PtdInsP2 and PtdSer cooperate to trap synaptotagmin-1 to the plasma membrane in the presence of calcium 2016).
• La barrière énergétique à la formation de la tige diminue également, car la courbure positive pourrait réduire l'énergie de flexion de la membrane nécessaire pour former une tige.

De plus, l'insertion de domaines C2 et la courbure de la membrane qui en résulte augmentent la tension membranaire, ce qui diminue la barrière d'énergie à la fois pour l'état d'hémifusion et l'ouverture des pores de fusion (Probing the Mechanism of Fusion in a Two-Dimensional Computer Simulation 2002).

4. La courbure membranaire permettrait le triple contact membranaire, apex d'arginine, patch polybasique et boucles de liaison au Ca⁺⁺ (Computational Lipidomics of the Neuronal Plasma Membrane 2017).

La liaison membranaire des domaines C2 est nécessaire pour initier la fusion, mais les interactions membranaires créées par l'apex d'arginine sont nécessaires pour en déterminer le bon moment et l'ouverture rapide du pore de fusion (ouverture du pore de fusion).

Déverrouillage du complexe SNARE

1. L'interface tripartite, i.e. SNARE-Cplx-Syt1, serait déverrouillée en présence de Ca⁺⁺, permettant à la fusion de se poursuivre (A Complexin/Synaptotagmin 1 Switch Controls Fast Synaptic Vesicle Exocytosis 2006).

a. Le domaine C2A de Syt1 du complexe tripartite est lié de manière flexible au domaine C2B.

b. C2A est proche de l'hélice centrale de Cplx et de l'extrémité C-terminale du domaine SNARE de la synaptobrévine 2/VAMP2.

Le déplacement de Cplx fournirait des sites de liaison pour α-SNAP afin d'initier le désassemblage ultérieur du complexe SNARE médié par la NSF.

2. Lors du déverrouillage du complexe, le complexe trans-SNARE se zippera complètement, i.e. complexe cis-SNARE, et déclenchera la fusion, en conjonction avec l'action de flexion de la membrane dépendante de Ca⁺⁺ de tous les domaines C2A et C2B, et même ceux de l'interface primaire (Synaptotagmin-mediated bending of the target membrane is a critical step in Ca2+-regulated fusion 2009).

Ce changement morphologique de la membrane plasmique rapproche les membranes, plus près que la distance critique (0,9 nm),pour favoriser la formation des tiges de fusion qui conduit ensuite à l'ouverture des pores de fusion.

Remarque : plusieurs complexes synaptiques impliqués pourraient potentiellement interagir les uns avec les autres, i.e. le domaine C2B de Syt1 pourrait relier deux complexes SNARE via les interfaces primaires et tripartites.

Différents modèles du rôle de la synaptotagmine