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Maquinaria molecular que impulsa la fusión de vesículas en la liberación de neuromediadores. El complejo central de SNARE está formado por cuatro hélices α aportadas por sinaptobrevina, sintaxina y SNAP-25, la sinaptotagmina sirve como sensor de calcio y regula estrechamente el cierre de SNARE. [1]
Proteínas del complejo de membrana de fusión SNARE
Identificadores
SímboloTRAMPA
InterProIPR010989
SCOP21kil / SCOPe / SUPFAM
TCDB1.F.1
Superfamilia OPM197
Proteína OPM3HD7
Membranome198

Las proteínas SNARE - " ceptor SNA P RE " - son una gran familia de proteínas que consta de al menos 24 miembros en levaduras y más de 60 miembros en células de mamíferos . [2] [3] La función principal de las proteínas SNARE es mediar la fusión de vesículas : la fusión de vesículas con la membrana diana ; esto media notablemente la exocitosis , pero también puede mediar la fusión de vesículas con compartimentos unidos a la membrana (como un lisosoma ). Las SNARE mejor estudiadas son aquellas que median la liberación de neurotransmisores devesículas sinápticas en neuronas . Estas SNARE neuronales son los objetivos de las neurotoxinas responsables del botulismo y el tétanos producidos por ciertas bacterias .

Tipos [ editar ]

Las SNARE se pueden dividir en dos categorías: vesículas o v-SNARE , que se incorporan a las membranas de las vesículas de transporte durante la gemación, y diana o t-SNARE , que están asociadas con las membranas terminales nerviosas. La evidencia sugiere que las t-SNARE forman subcomplejos estables que sirven como guías para v-SNARE, incorporado en la membrana de una vesícula recubierta de proteína, que se une para completar la formación del complejo SNARE. [4] Varias proteínas SNARE se encuentran tanto en vesículas como en membranas diana, por lo tanto, un esquema de clasificación más reciente tiene en cuenta las características estructurales de las SNARE, dividiéndolas en R-SNARE y Q-SNARE. A menudo, las R-SNARE actúan como v-SNARE y las Q-SNARE actúan como t-SNARE. Las R-SNARE son proteínas que aportan un residuo de arginina (R) en la formación de la capa iónica cero en el complejo SNARE del núcleo ensamblado. Un R-SNARE particular es la sinaptobrevina, que se encuentra en las vesículas sinápticas. Las Q-SNARE son proteínas que aportan un residuo de glutamina (Q) en la formación de la capa iónica cero en el complejo SNARE del núcleo ensamblado. Q-SNARE incluyen sintaxina y SNAP-25. Las Q-SNARE se clasifican además como Qa, Qb o Qc según su ubicación en el paquete de cuatro hélices.

Estructura [ editar ]

Las SNARE son proteínas pequeñas, abundantes, a veces ancladas en la cola, que a menudo se insertan postraduccionalmente en las membranas a través de un dominio transmembrana C-terminal . Siete de las 38 SNARE conocidas, incluido SNAP-25 , no tienen un dominio transmembrana y, en cambio, están unidas a la membrana mediante modificaciones lipídicas como la palmitoilación . [5] Las proteínas ancladas en la cola se pueden insertar en la membrana plasmática , el retículo endoplásmico , las mitocondrias y los peroxisomas.entre otras membranas, aunque cualquier SNARE en particular está dirigido a una membrana única. El direccionamiento de SNARE se logra alterando la composición de los residuos de aminoácidos flanqueantes C-terminales o la longitud del dominio transmembrana. El reemplazo del dominio transmembrana con anclajes lipídicos conduce a una etapa intermedia de fusión de la membrana en la que solo se fusionan las dos valvas en contacto y no las dos valvas distales de la bicapa de dos membranas. [6]

Aunque las SNARE varían considerablemente en estructura y tamaño, todas comparten un segmento en su dominio citosólico llamado motivo SNARE que consta de 60-70 aminoácidos y contiene repeticiones de heptada que tienen la capacidad de formar estructuras en espiral. V- y t-SNARE son capaces de ensamblarse reversiblemente en paquetes apretados de cuatro hélices llamados complejos "trans" -SNARE. En las vesículas sinápticas, los complejos "trans" metaestables que se forman fácilmente están compuestos por tres SNARE: sintaxina 1 y SNAP-25 residentes en la membrana celular y sinaptobrevina (también denominada proteína de membrana asociada a vesículas o VAMP) anclada en la membrana de la vesícula.

En la exocitosis neuronal , la sintaxina y la sinaptobrevina están ancladas en las membranas respectivas por sus dominios C-terminales, mientras que SNAP-25 está unido a la membrana plasmática a través de varias cadenas de palmitoilo unidas a cisteína. El complejo trans -SNARE central es un paquete de cuatro hélices, donde una hélice es aportada por la sintaxina 1, una hélice por sinaptobrevina y dos hélices son aportadas por SNAP-25.

Se ha demostrado que las SNARE residentes en la membrana plasmática están presentes en distintos microdominios o grupos, cuya integridad es esencial para la competencia exocitótica de la célula.

Fusión de membranas [ editar ]

Estratificación del complejo central SNARE. En el centro está la capa iónica hidrófila cero, flanqueada por capas de cremallera de leucina hidrófobas.

Durante la fusión de membranas, las proteínas v-SNARE y t-SNARE en membranas separadas se combinan para formar un complejo trans-SNARE, también conocido como "SNAREpin". Dependiendo de la etapa de fusión de las membranas, estos complejos pueden denominarse de manera diferente.

Durante la fusión de los complejos trans -SNARE, las membranas se fusionan y las proteínas SNARE implicadas en la formación del complejo después de la fusión se denominan complejo " cis " -SNARE, porque ahora residen en una membrana resultante única (o cis ). Después de la fusión, el complejo cis -SNARE se une y se desmonta mediante una proteína adaptadora, alpha-SNAP . Luego, la ATPasa hexamérica (del tipo AAA ) llamada NSF cataliza el despliegue dependiente de ATP de las proteínas SNARE y las libera en el citosol para su reciclaje.

Se cree que las SNARE son los componentes básicos necesarios de la maquinaria de fusión y pueden funcionar independientemente de proteínas accesorias citosólicas adicionales. Esto se demostró mediante la ingeniería de SNARE "invertidas", donde los dominios de SNARE se enfrentan al espacio extracelular en lugar del citosol. Cuando las células que contienen v-SNARE entran en contacto con células que contienen t- SNARE, se forman complejos trans- SNARE y se produce la fusión célula-célula. [7]

Componentes [ editar ]

El complejo central de SNARE es un paquete de 4 hélices. [8] La sinaptobrevina y la sintaxina contribuyen con una hélice cada una, mientras que SNAP-25 participa con dos hélices (abreviadas como Sn1 y Sn2). Los residuos de aminoácidos que interactúan que comprimen el complejo SNARE se pueden agrupar en capas. Cada capa tiene 4 residuos de aminoácidos, un residuo por cada una de las 4 hélices. En el centro del complejo está la capa iónica cero compuesta por un residuo de arginina (R) y tres residuos de glutamina (Q), y está flanqueada por cremalleras de leucina . Las capas '-1', '+1' y '+2' en el centro del complejo siguen más de cerca la geometría ideal de cremallera de leucina y la composición de aminoácidos. [9]

La capa iónica cero está compuesta de R56 de VAMP-2, Q226 de sintaxina-1A, Q53 de Sn1 y Q174 de Sn2, y está completamente enterrada dentro de las capas de cremallera de leucina. El grupo guanidino cargado positivamente del residuo de arginina (R) interactúa con los grupos carboxilo de cada uno de los tres residuos de glutamina (Q).

Las capas de cremallera de leucina flanqueantes actúan como un sello hermético para proteger las interacciones iónicas del disolvente circundante . La exposición de la capa iónica cero al disolvente de agua al romper la cremallera de leucina flanqueante conduce a la inestabilidad del complejo SNARE y es el mecanismo putativo por el cual -SNAP y NSF reciclan los complejos SNARE después de completar la exocitosis de vesículas sinápticas .

Mecanismo de fusión de membranas [ editar ]

Montaje [ editar ]

Representación de la formación de un complejo trans -SNARE. Muestra cómo Munc18 interactúa con las proteínas SNARE durante la formación del complejo.

Las proteínas SNARE deben ensamblarse en complejos trans -SNARE para proporcionar la fuerza necesaria para la fusión de vesículas . Los cuatro dominios de hélice α (1 de cada uno de sinaptobrevina y sintaxina , y 2 de SNAP-25 ) se unen para formar un motivo en espiral . El paso que limita la velocidad en el proceso de ensamblaje es la asociación del dominio SNARE de sintaxina, ya que generalmente se encuentra en un estado "cerrado" donde es incapaz de interactuar con otras proteínas SNARE. [10] Cuando la sintaxina está en un estado abierto, la formación del complejo trans -SNARE comienza con la asociación de los cuatro dominios SNARE en suN-termini . Los dominios SNARE proceden a formar un motivo de espiral en la dirección de los extremos C de sus respectivos dominios.

Se cree que la proteína SM Munc18 juega un papel en el ensamblaje del complejo SNARE, aunque el mecanismo exacto por el cual actúa todavía está en debate. Se sabe que el cierre de Munc18 bloquea la sintaxina en una conformación cerrada al unirse a sus dominios SNARE helicoidales α , lo que inhibe la entrada de la sintaxina en los complejos SNARE (inhibiendo así la fusión ). [10] Sin embargo, el broche también es capaz de unir todo el paquete de cuatro hélices del complejo trans -SNARE. Una hipótesis sugiere que, durante el ensamblaje del complejo SNARE, el cierre Munc18 libera sintaxina cerrada, permanece asociado con el péptido N-terminalde sintaxina (que permite la asociación del dominio SNARE de sintaxina con otras proteínas SNARE), y luego se vuelve a unir al complejo SNARE de cuatro hélices recién formado. [11] Este posible mecanismo de disociación y posterior reasociación con los dominios SNARE podría depender del calcio. [12] Esto apoya la idea de que Munc18 desempeña un papel regulador clave en la fusión de vesículas ; En condiciones normales, Munc18 evitará que se forme el complejo SNARE, pero cuando se active, Munc18 realmente ayudará en el ensamblaje del complejo SNARE y, por lo tanto, actuará como un catalizador de fusión . [11]

Cremallera y apertura de poros de fusión [ editar ]

Esta figura proporciona una descripción general simple de la interacción de las proteínas SNARE con vesículas durante la exocitosis. Muestra el complejo montaje, cierre y desmontaje de SNARE.

La fusión de membranas es una serie de eventos energéticamente exigentes, que requieren la translocación de proteínas en la membrana y la ruptura de la bicapa lipídica, seguida de la reformación de una estructura de membrana muy curvada. El proceso de unir dos membranas requiere energía de entrada para superar las fuerzas electrostáticas repulsivas entre las membranas. Se desconoce el mecanismo que regula el movimiento de las proteínas asociadas a la membrana fuera de la zona de contacto de la membrana antes de la fusión, pero se cree que el aumento local de la curvatura de la membrana contribuye en el proceso. Las SNARE generan energía a través de interacciones proteína-lípido y proteína-proteína que actúan como una fuerza impulsora para la fusión de membranas.

Un modelo plantea la hipótesis de que la fuerza requerida para unir dos membranas durante la fusión proviene del cambio conformacional en los complejos trans -SNARE para formar complejos cis -SNARE. La hipótesis actual que describe este proceso se conoce como "zippering" de SNARE. [13]

Cuando se forma el complejo trans -SNARE, las proteínas SNARE todavía se encuentran en membranas opuestas. A medida que los dominios SNARE continúan enrollando en un proceso espontáneo , forman un paquete de cuatro hélices mucho más estrecho y estable. Durante este "cierre" del complejo SNARE, se cree que una fracción de la energía liberada por la unión se almacena como tensión de flexión molecular en los motivos individuales de SNARE. Se postula que esta tensión mecánica se almacena en las regiones enlazadoras semirrígidas entre los dominios transmembrana y el haz helicoidal SNARE. [14] [15] La flexión energéticamente desfavorable se minimiza cuando el complejo se mueve periféricamente al sitio de fusión de la membrana. Como resultado, el alivio de la tensión supera las fuerzas repulsivas entre losvesícula y la membrana celular y presiona las dos membranas juntas. [dieciséis]

Se han propuesto varios modelos para explicar el paso posterior, la formación del tallo y el poro de fusión. Sin embargo, la naturaleza exacta de estos procesos sigue siendo objeto de debate. De acuerdo con la hipótesis de la "cremallera", a medida que se forma el complejo SNARE, el haz de la hélice de apriete ejerce una fuerza de torsión en los dominios transmembrana (TM) de sinaptobrevina y sintaxina . [17] Esto hace que los dominios de TM se incline dentro de las membranas separadas a medida que las proteínas se enrollan más apretadamente. La configuración inestable de los dominios TM finalmente hace que las dos membranas se fusionen y las proteínas SNARE se unan dentro de la misma membrana, lo que se conoce como un complejo " cis " -SNARE. [18]Como resultado de la transposición de lípidos, se abre un poro de fusión y permite que el contenido químico de la vesícula se filtre al ambiente exterior.

La explicación del continuo de la formación del tallo sugiere que la fusión de la membrana comienza con un radio infinitesimal hasta que se expande radialmente en una estructura similar a un tallo. Sin embargo, tal descripción no tiene en cuenta la dinámica molecular de los lípidos de membrana. Simulaciones moleculares recientes muestran que la proximidad de las membranas permite que los lípidos se esparzan, donde una población de lípidos inserta sus colas hidrófobas en la membrana vecina, manteniendo efectivamente un "pie" en cada membrana. La resolución del estado lipídico extendido procede espontáneamente para formar la estructura del tallo. En esta visión molecular, el estado intermedio de lípidos esparcidos es la barrera que determina la velocidad en lugar de la formación del tallo, que ahora se convierte en el mínimo de energía libre.La barrera energética para el establecimiento de la conformación de lípidos esparcidos es directamente proporcional a la distancia entre membranas. Los complejos SNARE y su presión de las dos membranas juntas, por lo tanto, podrían proporcionar la energía libre necesaria para superar la barrera.[19]

Desmontaje [ editar ]

La entrada de energía que se requiere para que tenga lugar la fusión mediada por SNARE proviene del desmontaje complejo de SNARE. La fuente de energía que se sospecha es el factor sensible a la N-etilmaleimida (NSF) , una ATPasa que participa en la fusión de membranas . Los homohexámeros de NSF, junto con el cofactor de NSF α-SNAP , se unen y disocian el complejo SNARE acoplando el proceso con la hidrólisis de ATP . [20] Este proceso permite la recaptación de sinaptobrevina para su uso posterior en vesículas , mientras que las otras proteínas SNARE permanecen asociadas con la membrana celular .

Las proteínas SNARE disociadas tienen un estado de mayor energía que el complejo cis -SNARE más estable . Se cree que la energía que impulsa la fusión se deriva de la transición a un complejo cis -SNARE de menor energía . La disociación de ATP acoplada a la hidrólisis de los complejos SNARE es una inversión de energía que se puede comparar con "amartillar la pistola" de modo que, una vez que se desencadena la fusión de vesículas , el proceso tiene lugar de forma espontánea y a una velocidad óptima. En los músculos tiene lugar un proceso comparable, en el que las cabezas de miosina deben hidrolizar primero el ATP para adaptar la conformación necesaria para que se produzca la interacción con la actina y el posterior golpe de potencia.

Regulatory effects on exocytosis[edit]

Regulation via SNAP-25 palmitoylation[edit]

The Q-SNARE protein Synaptosomal-associated protein 25 (SNAP-25) is composed of two α-helical domains connected by a random coil linker. The random coil linker region is most notable for its four cysteine residues.[21] The α-helical domains combine with those of both syntaxin and synaptobrevin (also known as vesicle associated membrane protein or VAMP) to form the 4-α-helix coiled-coil SNARE complex critical to efficient exocytosis.

While syntaxin and synaptobrevin both contain transmembrane domains which allow for docking with target and vesicle membranes respectively, SNAP-25 relies on the palmitoylation of cysteine residues found in its random coil region for docking to the target membrane. Some studies have suggested that association with syntaxin via SNARE interactions precludes the need for such docking mechanisms. Syntaxin knockdown studies however, failed to show a decrease in membrane bound SNAP-25 suggesting alternate docking means exist.[22] The covalent bonding of fatty acid chains to SNAP-25 via thioester linkages with one or more cysteine residues therefore, provides for regulation of docking and ultimately SNARE mediated exocytosis. This process is mediated by a specialized enzyme called DHHC palmitoyl transferase.[23] The cysteine rich domain of SNAP-25 has also been shown to weakly associate with the plasma membrane possibly allowing it to be localized near the enzyme for subsequent palmitoylation. The reverse of this process is carried out by another enzyme called palmitoyl protein thioesterase (see figure).

A simplified depiction of the palmitoylation of a cysteine residue in a protein

The availability of SNAP-25 in the SNARE complex is also theorized to possibly be spatially regulated via localization of lipid microdomains in the target membrane. Palmitoylated cysteine residues could be localized to the desired target membrane region via a favorable lipid environment (possibly cholesterol rich) complementary to the fatty acid chains bonded to the cysteine residues of SNAP-25.[24]

SNAP-25 regulation of voltage-gated Ca2+ channels in neuronal axon terminals[edit]

As an action potential reaches the axon terminal, depolarization events stimulate the opening of voltage-gated calcium channels (VGCCs) allowing the rapid influx of calcium down its electrochemical gradient. Calcium goes on to stimulate exocytosis via binding with synaptotagmin 1. SNAP-25 however, has been shown to negatively regulate VGCC function in glutamatergic neuronal cells. SNAP-25 leads to a reduction of current density through VGCC's and therefore a decrease in the amount of calcium that is binding the synaptotagmin, causing a decrease in neuronal glutamatergic exocytosis. Conversely, underexpression of SNAP-25 allows for an increase in VGCC current density and increase in exocytosis.[25]

Further investigation has suggested possible relationships between SNAP-25 over/underexpression and a variety of brain diseases. In attention-deficit/hyperactivity disorder or ADHD, polymorphisms at the SNAP-25 gene locus in humans have been linked to the disease suggesting a potential role in its manifestation.[26] This is further suggested by heterogeneous SNAP-25 knockout studies performed on coloboma mutant mice, which led to phenotypic characteristics of ADHD.[27] Studies have also shown a correlation of SNAP-25 over/underexpression and the onset of schizophrenia.[28][29]

Syntaxin and the Habc domain[edit]

Syntaxin consists of a transmembrane domain (TMD), alpha-helical SNARE domain, a short linker region, and the Habc domain which consists of three alpha-helical regions. The SNARE domain in syntaxin serves as a target site for docking of SNAP-25 and synaptobrevin in order to form the four helix bundle requisite to the SNARE complex and subsequent fusion. The Habc domain, however, serves as an autoinhibitory domain in syntaxin. It has been shown to fold over and associate with the SNARE domain of syntaxin inducing a "closed" state, creating a physical barrier to the formation of the SNARE motif. Conversely, the Habc domain can again disassociate with the SNARE domain leaving syntaxin free to associate with both SNAP-25 and synaptobrevin.[30]

Syntaxin 1B and readily releasable pool of vesicles[edit]

There is an immense diversity of syntaxin subtypes, with 15 varieties in the human genome.[31] It has been suggested that syntaxin1B has a role in regulating number of synaptic vesicles ready for exocytosis in the axon terminal. This is also called the readily releasable pool (RRP) of vesicles. A knock out study in 2014 showed that the lack of syntaxin1B led to a significant decrease in RRP size.[32]

Toxins[edit]

Many neurotoxins directly affect SNARE complexes. Such toxins as the botulinum and tetanus toxins work by targeting the SNARE components. These toxins prevent proper vesicle recycling and result in poor muscle control, spasms, paralysis, and even death.

Botulinum neurotoxin[edit]

Botulinum Toxin (BoNT) is one of the most potent toxins to have ever been discovered.[33] It is a proteolytic enzyme that cleaves SNARE proteins in neurons. Its protein structure is composed of two peptide subunits, a heavy chain (100kDas) and a light chain (50kDas), which are held together by a disulfide bond. The action of BoNT follows a 4-step mechanism including binding to the neuronal membrane, endocytosis, membrane translocation, and proteolysis of SNARE proteins.[34]

Target SNARE proteins of Botulinum Neurotoxin (BoNT) and Tetanus Neurotoxin (TeNT) inside the axon terminal.[35]

In its mechanism of action, the heavy chain of BoNT is first used to find its neuronal targets and bind to the gangliosides and membrane proteins of presynaptic neurons. Next, the toxin is then endocytosed into the cell membrane. The heavy chain undergoes a conformational change important for translocating the light chain into the cytosol of the neuron. Finally, after the light chain of BoNT is brought into the cytosol of the targeted neuron, it is released from the heavy chain so that it can reach its active cleavage sites on the SNARE proteins.[34] The light chain is released from the heavy chain by the reduction of the disulfide bond holding the two together. The reduction of this disulfide bond is mediated by the NADPH-thioredoxin reductase-thioredoxin system.[36] The light chain of BoNT acts as a metalloprotease on SNARE proteins that is dependent on Zn(II) ions,[37] cleaving them and eliminating their function in exocytosis.

There are 8 known isotypes of BoNT, BoNT/A – BoNT/H, each with different specific cleavage sites on SNARE proteins. SNAP25, a member of the SNARE protein family located in the membrane of cells, is cleaved by BoNT isotypes A, C, and E. The cleavage of SNAP-25 by these isotypes of BoNT greatly inhibits their function in forming the SNARE complex for fusion of vesicles to the synaptic membrane. BoNT/C also targets Syntaxin-1, another SNARE protein located in the synaptic membrane. It degenerates these Syntaxin proteins with a similar outcome as with SNAP-25. A third SNARE protein, Synaptobrevin (VAMP), is located on cell vesicles. VAMP2 is targeted and cleaved by BoNT isotypes B, D, and F in synaptic neurons.[33] The targets of these various isotypes of BoNT as well as Tetanus Neurotoxin (TeNT) are shown in the figure to the right.

In each of these cases, Botulinum Neurotoxin causes functional damage to SNARE proteins, which has significant physiological and medical implications. By damaging SNARE proteins, the toxin prevents synaptic vesicles from fusing to the synaptic membrane and releasing their neurotransmitters into the synaptic cleft. With the inhibition of neurotransmitter release into the synaptic cleft, action potentials cannot be propagated to stimulate muscle cells. This result in paralysis of those infected and in serious cases, it can cause death. Although the effects of Botulinum Neurotoxin can be fatal, it has also been used as a therapeutic agent in medical and cosmetic treatments.[38][39]

Tetanus neurotoxin[edit]

The breakdown of responsibilities and mechanisms of the heavy (HC) and light chain (LC) of tetanus neurotoxin: The HC assists in binding of TeNT to both the ganglioside receptor and the final receptor. Once TeNT is in the vesicle in the inhibitory interneuron space the HC assists in translocation of the LC into the cytoplasm. Then the LC, characterized by zinc endopeptidase activity, inhibits neurotransmission by cleavage of synaptobrevin 1.

Tetanus toxin, or TeNT, is composed of a heavy chain (100KDa) and a light chain (50kDa) connected by a disulfide bond. The heavy chain is responsible for neurospecific binding of TeNT to the nerve terminal membrane, endocytosis of the toxin, and translocation of the light chain into the cytosol. The light chain has zinc-dependent endopeptidase or more specifically matrix metalloproteinase (MMP) activity through which cleaveage of synaptobrevin or VAMP is carried out.[40]

For the light chain of TeNT to be activated one atom of zinc must be bound to every molecule of toxin.[41] When zinc is bound reduction of the disulfide bond will be carried out primarily via the NADPH-thioredoxin reductase-thioredoxin redox system.[42] Then the light chain is free to cleave the Gln76-Phe77 bond of synaptobrevin.[40] Cleavage of synaptobrevin affects the stability of the SNARE core by restricting it from entering the low energy conformation which is the target for NSF binding.[43] This cleavage of synaptobrevin is the final target of TeNT and even in low doses the neurotoxin will inhibit neurotransmitter exocytosis.

Role in neurotransmitter release[edit]

Neurotransmitters are stored in readily releasable pools of vesicles confined within the presynaptic terminal. During neurosecretion/exocytosis, SNAREs play a crucial role in vesicle docking, priming, fusion, and synchronization of neurotransmitter release into the synaptic cleft.

The first step in synaptic vesicle fusion is tethering, where the vesicles are translocated from the reserve pool into physical contact with the membrane. At the membrane, Munc-18 is initially bound to syntaxin 1A in a closed structure. It is postulated that the dissociation of Munc-18 from the complex frees syntaxin 1A to bind with the v-SNARE proteins.[44] The next step in release is the docking of vesicles, where the v- and t-SNARE proteins transiently associate in a calcium-independent manner. The vesicles are then primed, wherein the SNARE motifs form a stable interaction between the vesicle and membrane. Complexins stabilize the primed SNARE-complex rendering the vesicles ready for rapid exocytosis.

The span of presynaptic membrane containing the primed vesicles and dense collection of SNARE proteins is referred to as the active zone. Voltage-gated calcium channels are highly concentrated around active zones and open in response to membrane depolarization at the synapse. The influx of calcium is sensed by synaptotagmin 1, which in turn dislodges complexin protein and allows the vesicle to fuse with the presynaptic membrane to release neurotransmitter. It has also been shown that the voltage-gated calcium channels directly interact with the t-SNAREs syntaxin 1A and SNAP-25, as well as with synaptotagmin 1. The interactions are able to inhibit calcium channel activity as well as tightly aggregate the molecules around the release site.[45]

There have been many clinical cases that link SNARE genes with neural disorders. Deficiency in SNAP-25 mRNA has been observed in hippocampal tissue of some schizophrenic patients, a SNAP-25 single-nucleotide polymorphism is linked to hyperactivity in autism-spectrum disorders, and overexpression of SNAP-25B leads to the early onset of bipolar disorder.[45]

Role in autophagy[edit]

Macroautophagy is a catabolic process involving the formation of double-membrane bound organelles called autophagosomes, which aid in degradation of cellular components through fusion with lysosomes. During autophagy, portions of the cytoplasm are engulfed by a cup-shaped double-membrane structure called a phagophore and eventually become the contents of the fully assembled autophagosome. Autophagosome biogenesis requires the initiation and growth of phagophores, a process that was once thought to occur through de novo addition of lipids. However, recent evidence suggests that the lipids that contribute to the growing phagophores originate from numerous sources of membrane, including endoplasmic reticulum, Golgi, plasma membrane, and mitochondria.[46] SNAREs play important roles in mediating vesicle fusion during phagophore initiation and expansion as well as autophagosome-lysosome fusion in the later stages of autophagy.

Though the mechanism of phagophore initiation in mammals is unknown, SNAREs have been implicated in phagophore formation through homotypic fusion of small, clathrin-coated, single-membrane vesicles containing Atg16L, the v-SNARE VAMP7, and its partner t-SNAREs: Syntaxin-7, Syntaxin-8, and VTI1B.[47] In yeast, the t-SNAREs Sec9p and Sso2p are required for exocytosis and promote tubulovesicular budding of Atg9 positive vesicles, which are also required for autophagosome biogenesis.[48][49] Knocking out either of these SNAREs leads to accumulation of small Atg9 containing vesicles that do not fuse, therefore preventing the formation of the pre-autophagosomal structure.[49]

In addition to phagophore assembly, SNAREs are also important in mediating autophagosome-lysosome fusion. In mammals, the SNAREs VAMP7, VAMP8, and VTI1B are required in autophagosome-lysosome fusion and this process is impaired in lysosomal storage disorders where cholesterol accumulates in the lysosome and sequesters SNAREs in cholesterol rich regions of the membrane preventing their recycling.[50] Recently, syntaxin 17 (STX17) was identified as an autophagosome associated SNARE that interacts with VAMP8 and SNAP29 and is required for fusion with the lysosome.[51] STX17 is localized on the outer membrane of autophagosomes, but not phagophores or other autophagosome precursors, which prevents them from prematurely fusing with the lysosome.[51] In yeast, the fusion of autophagosomes with vacuoles (the yeast equivalent of lysosomes) requires SNAREs and related proteins such as the syntaxin homolog Vam3, SNAP-25 homolog Vam7, Ras-like GTPase Ypt7, and the NSF ortholog, Sec18.[46]

References[edit]

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External links[edit]

  • SNARE+Proteins at the US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
  • SNARE+Complex at the US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)