生命科学学院李毓龙实验室发现定位于突触小泡的新型转运体

在神经系统中,化学突触传递依赖于突触小泡中储存的特定神经递质及其在神经细胞活动时的释放。突触小泡定位的神经递质转运体介导了小分子神经递质在突触小泡上的摄取和富集[1],进而决定了神经元输出的信号类型:如兴奋性的谷氨酸能信号、抑制性的GABA能信号等。因此,了解这类转运体对理解神经系统的生理功能和病理发生都具有重要意义。多年以来只有少数定位于突触小泡的神经递质转运体被报道,是否存在新型的神经递质转运体仍然未被系统性地研究和回答过。

近日,北京大学李毓龙实验室在eLife杂志在线发表了题为“Localization, proteomics, and metabolite profiling reveal a putative vesicular transporter for UDP-glucose”的研究论文,通过大规模筛选对可能定位于突触小泡的转运体进行了研究,并发现其中定位于突触小泡的SLC35D3为UDP-葡萄糖转运体。

目前已知定位于突触小泡的神经递质转运体均属于溶质转运体(Solute Carrier,SLC)家族,且该家族约450个成员中超过半数仍然缺乏深入研究[2]。基于此,作者对该家族中的361个成员进行了神经元中的亚细胞定位分析。以已知突触小泡定位的神经递质转运体为筛选标准,作者发现40个候选转运体能够定位于突触小泡。为确认这些转运体是否存在于内源突触小泡,作者对亲和纯化的内源突触小泡进行蛋白质组学分析,发现上述候选转运体中有7个可在内源突触小泡中检测到,其中包括SLC35家族的部分孤儿转运体如SLC35D3。进一步电镜实验确认SLC35D3可定位于突触小泡(图一)。

图1 荧光成像与电镜成像显示SLC35D3转运体可定位于突触小泡。(A) Top: 荧光成像筛选突触小泡定位的SLC转运体示意图。Bottom:SLC35D3与突触小泡特异蛋白SYP共定位。比例尺:10 μm。(B) Top:电镜探究SLC转运体亚细胞定位示意图。Bottom:SLC35D3-APEX2电镜成像。红色箭头:转染SLC35D3-APEX2电镜标签的神经元中突触小泡。蓝色箭头:未被转染的神经元中突触小泡。比例尺:500 nm。

为了探索孤儿转运体SLC35D3可能的底物,作者通过靶向代谢小分子的分析方法寻找过表达SLC35D3的囊泡中被富集的代谢小分子。由于已知的SLC35家族成员普遍转运核苷酸-糖类小分子,因此SLC35D3的底物有可能具有类似化学结构。靶向该类分子的检测发现,过表达SLC35D3的囊泡中UDP-葡萄糖的含量显著增加。放射性同位素小分子摄取实验证实SLC35D3可以特异性地转运UDP-葡萄糖。

图2突触小泡定位的UDP-葡萄糖转运体示意图

有趣的是,前人对于G蛋白偶联受体的研究发现P2Y14受体可被UDP-葡萄糖激活[3],这进一步提示UDP-葡萄糖有可能作为新型胞外信号分子发挥作用。综上所述,对突触小泡定位的新型转运体及其底物的探索有助于更好地理解神经元信息传递的分子机制。该研究也充分体现了学科交叉在神经生物学研究中的应用。

北京大学生命科学学院李毓龙教授为文章的通讯作者,PTN项目博士生钱城为本文的第一作者。北京大学博士武照伐、孙荣浡、余华晟、曾健智对文章作出了重要贡献。北京大学生命科学学院饶毅教授对该课题研究提供了指导和帮助。该研究受到北大-清华生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室、北京市科委等科研项目支持。

Reference

[1] Blakely, R.D., and Edwards, R.H. (2012). Vesicular and Plasma Membrane Transporters for Neurotransmitters. Csh Perspect Biol 4.

[2] Cesar-Razquin, A., Snijder, B., Frappier-Brinton, T., Isserlin, R., Gyimesi, G., Bai, X.Y., Reithmeier, R.A., Hepworth, D., Hediger, M.A., Edwards, A.M., et al. (2015). A Call for Systematic Research on Solute Carriers. Cell 162, 478-487.

[3] Chambers, J.K., Macdonald, L.E., Sarau, H.M., Ames, R.S., Freeman, K., Foley, J.J., Zhu, Y., McLaughlin, M.M., Murdock, P., McMillan, L., et al. (2000). A G protein-coupled receptor for UDP-glucose. Journal of Biological Chemistry 275, 10767-10771.


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