亲管蛋白（syntabulin）对线粒体融合及神经退行性疾病的调控

Mitochondrial fusion is regulated by a group of dynamin-like GTPases. Any detrimental mutations in the genes encoded these dynamin-like GTPases will result in genetic neurodegenerative diseases. Our recent results shown that syntabulin could induce mitochondrial fusion on the platform of microtubule network. How can syntabulin induce the fusion of mitochondria? Will the mutation of this gene result in genetic disease of human too? Through the analysis of GTPase activity for syntabulin and ruling out the possibility of syntabulin as a GTPase, we proposed that syntabulin may interact with mitofusin 2(MFN2) who has a syntaxin-N domain according to our protein structure analysis. We next further confirmed our hypothesis by Co-immunoprecipitation(Co-IP) and found that MFN2 is a syntabulin binding protein. By using the techniques of Co-IP, co-localization, confocal microscopy, gene silencing and other techniques, we aim to investigate the interactions among syntabulin, microtubule and mitochondria and confirm the complex formation of syntabulin,tubulin and MFN2. We will illustrate the molecular mechanism underlying the mitochondrial fusion on the platform of microtubule induced by syntabulin and clarify the coordination role of syntabulin in integrating the structure and function between energy generating system mitochondria and energy consuming system microtubule. The study of this project may show us a new mechanism of mitochondrial fusion regulated by syntabulin and provide us a novel targeting gene and knowledge for the treatment of neurodegenerative diseases.

线粒体融合是由dynamin 类GTP酶所调节的。这类分子基因的有害突变无一例外地导致神经退行性疾病。我们最新研究表明，亲管蛋白(syntabulin)也能诱发线粒体在微管上融合。但亲管蛋白如何引起线粒体的融合，其基因突变是否引起神经退行性性疾病仍未清楚。经酶活性检测排除了亲管蛋白具有GTP酶活性之后，我们通过蛋白结构域分析，提出线粒体融合因子mitofusin 2(MFN2)可能是亲管蛋白的结合分子，免疫共沉降实验进一步证实了亲管蛋白能与MFN2 结合。本项目拟采用免疫共沉淀、共定位、激光共聚焦、基因沉默等技术，旨在获得亲管蛋白与微管和MFN2形成复合体的直接证据，阐明亲管蛋白诱导线粒体在微管上融合的分子机制，揭示亲管蛋白在能量产生体系线粒体与能量消耗体系微管中的协同作用。本项目研究成果有望在线粒体融合机制及其生理功能方面获得新突破，为治疗神经退行性疾病提供新的靶点及其科学依据。

本项目研究在明确亲管蛋白、线粒体GTP酶、微管和线粒体融合的关系的过程中，发现了能促进线粒体融合又能与亲管蛋白结合线粒体GTP酶Mitofusin 2被证实并不参与亲管蛋白诱导的线粒体融合，从而进一步发现了另外一个线粒体GTP酶Miro。Miro本身能与微管结合，它的线粒体定位、能与亲管蛋白结合以及与动力分子的相互作用使得线粒体在骨架上延伸得到了合理的解释。在了解亲管蛋白诱发线粒体形成骨架状网络结构的原因过程中，我们发现亲管蛋白除了通过增加线粒体顶端接触外还诱导线粒体另外两种融合——长轴侧向融合和垂直融合。这也是为什么亲管蛋白能诱发线粒体融合成为管网状结构的直接证据。研究还证实了亲管蛋白通过其螺旋盘卷区的相互作用将两线粒体沿其长轴并行排列或垂直接触并进一步诱导线粒体的侧向融合和分枝。通过活细胞动态观察，我们证实了在天然表达亲管蛋白的原代神经细胞中，线粒体确实存在侧向融合和垂直融合。因此，亲管蛋白是以一种新的调节方式——即促进线粒体的侧向相互作用合垂直方向的相互作用而导致线粒体的融合并通过微管这一支架完成管网状的线粒体结构。. 课题假设SNAREs分子可能参与又亲管蛋白诱导的线粒体的融合，但经研究发现SNAREs 分子参与的是线粒体与细胞内膜之间的膜组分交换。首先我们在原代神经细胞中发现了亲管蛋白能够与内质网和线粒体之间相互作用形成长管状结构，在COS7细胞中通过质粒转染表达亲管蛋白，重复出了这一细胞生理学事件。通过影像学观察和GST-Pulldown等实验我们证实了位于线粒体上的亲管蛋白与位于内质网上的Syntaxin17相互作用，并与SNARE家族的另一分子Snap29一起构成内质网和线粒体间的互作桥梁。我们以定位于内质网上的钙联蛋白分子CNX作为对照，证明了内质网和线粒体间的相互作用是由STX17特异性地与亲管蛋白发生相互作用而引起的，并且发生于乙酰化微管平台上。本研究首次发现了以亲管蛋白为核心的介导内质网和线粒体间关联的一组重要调节因子，将SNARE分子功能由介导细胞内囊泡转运扩展至介导线粒体与细胞内膜之间的相互作用。