突触结合蛋白11对囊泡循环的调控作用与分子机制研究

Both precision and efficiency of endocytosis are required to maintain vesicle pools and continued neurotransmission during sustained synaptic events. Over the past four decades, endocytic machineries and regulators involved in exocytosis-coupled endocytosis have been extensively studied. However, how endocytosis is coupled to exocytosis remains largely elusive. In particular, mechanisms ensuring the precision and fidelity of vesicle retrieval are unknown. Recent studies identify synaptotagmin 11 (Syt11) as a candidate gene for susceptibility to schizophrenia and a risk locus for Parkinson disease, but with unknown neuronal function. We serendipitously found that Syt11 inhibits both clathrin-mediated endocytosis and bulk endocytosis without affecting exocytosis in dorsal root ganglion neurons. Preliminary results also showed that Syt11 knockdown in hippocampal neurons led to abnormal membrane distribution of a vesicle protein, suggesting for a role of Syt11 in ensuring precision of vesicle retrieval. Here, we propose to study the regulation of Syt11 on vesicle recycling in central nervous system. The physiological function of Syt11 in synaptic vesicle recycling in hippocampal neurons and regulation of Syt11 on endocytosis in neuroglia cells will be investigated in details. To further reveal the molecular mechanisms of Syt11 function, its interacting proteins and its spatial and temporal regulation will also be studied. A clear understanding of Syt11 function may benefit not only the field of membrane trafficking, but also research in certain brain diseases such as Parkinson disease and schizophrenia.

精准而高效的内吞机制是维持囊泡库和持续的神经传递所必需的。过去的四十多年来，胞吐偶联的胞吞机制及其调控吸引了大量的研究。但胞吞胞吐的偶联机制，尤其是保证囊泡回收精确性的机制仍然未知。近来研究发现突触结合蛋白11（Syt11)是帕金森病和精神分裂症的相关基因,而它在大脑中的功能尚不清楚。我们意外地发现Syt11在背根神经元里抑制网格蛋白介导的内吞和巨内吞这两种主要的囊泡回收机制。预实验还发现在海马神经元里敲低Syt11导致了囊泡蛋白在突触前膜的异常分布，提示了Syt11对于确保囊泡回收精准性的功能。在此基础上，本项目计划深入研究Syt11在中枢神经系统中对囊泡回收的调控。我们将在海马神经元中研究Syt11对突触囊泡回收的生理功能，在胶质细胞中研究它对多种内吞的调控。为了揭示Syt11作用的分子机制，我们还将研究它的作用蛋白和高分辨时空调控。本项目的开展将为膜转运领域和疾病机制研究作出贡献。

在持续的神经传递过程中，精确和有效的内吞作用对于突触囊泡循环是不可或缺的。本项目旨在研究与帕金森病和精神分裂症相关的突触结合蛋白11（synaptotagmin-11, Syt11）在囊泡循环中的功能，我们发现Syt11能够抑制背根神经节神经元的CME(clathrin-mediated endocytosis)和巨内吞（bulk endocytosis）。并且Syt11基因敲低（KD）大大加速了刺激偶联的胞吞，还通常伴随着过度的膜回收，表明胞吞与胞吐的耦合失衡。CME和巨内吞这两种胞吞方式在Syt11 KD神经元中的频率均显著增加，并且在质膜上clathrin-coated pits和bulk-like structure也有明显增加，这些现象提示Syt11在胞吞过程的早期起限制膜内陷的作用。结构-功能分析揭示了Syt11不同结构域的均参与到CME和巨内吞的过程中，并且，Syt11在这些途径中与不同的蛋白质相互作用。与此同时，我们也发现Syt11同样能够抑制海马神经元末梢的内吞作用，但不影响胞吐过程，这一结果提示了Syt11在神经元中具有普遍的作用。因此，我们提出了一种新的抑制胞吐胞吞偶联的机制，即Syt11通过抑制细胞的胞吞作用，从而抑制胞吞与胞吐的偶联，进而调控神经传递过程。这些研究结果作为封面文章发表在2016年EMBO reports上，我们团队也于2017年受邀在Cellular and Molecular Life Sciences发表了一篇关于突触囊泡内吞抑制机制的综述。.我们的进一步研究发现，在Syt11敲除的海马神经元中，囊泡蛋白在突触前膜分布出现异常，这一结果提示Syt11的功能体现在确保囊泡回收精准性上。我们在小鼠大脑中发现了多个Syt11相互作用蛋白，这为我们揭示Syt11调节胞吞的分子机制提供了证据。目前我们正在进行对于Syt11在胞吞过程中的具体时空调控研究。.同时，我们发现Syt11也表达于小胶质细胞中，在生理和病理条件下，它都能抑制小胶质细胞中炎症因子的分泌和吞噬作用。此外，Syt11特异性地调节经典分泌途径，并且抑制了小胶质细胞对α-突触核蛋白原纤维的吞噬，这一结果更加支持Syt11与帕金森病的联系。这些研究结果也已发表在2017年的Glia杂志上。