Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato

Proteine SNARE


Molecola del Mese di Novembre 2013
Parole chiave: fusione di vescicole, vescicole sinaptiche, fusione di membrane
SNARE = SNAP REceptor
SNAP = Soluble NSF Attachment Protein
NSF = N-ethylmaleimide Sensitive Factor

Introduzione
Piccole vescicole chiuse da una membrana sono utilizzate come container per trasportare proteine e altre molecole dentro e fuori la cellula. Quando le vescicole raggiungono la propria destinazione, si fondono con la membrana bersaglio e rilasciano il loro carico. Per esempio, dentro la cellula, le vescicole sono usate per trasportare enzimi digestivi dall'apparato del Golgi fino alla loro destinazione finale, i lisosomi.
Le vescicole vengono anche usate per trasportare molecole fuori dalla cellula: per esempio i neurotrasmettitori sono rilasciati da vescicole che si fondono con la membrana cellulare del neurone successivo nelle sinapsi nervose.
Il premio Nobel 2013 è stato assegnato a tre ricercatori che hanno scoperto i dettagli molecolari di questo processo di fusione di vescicole.

Intrappolare le vescicole
La fusione delle vescicole è realizzata dalle proteine SNARE che agganciano e trascinano la vescicola verso la membrana a cui è destinata e poi aiutano la fusione dei doppi strati lipidici delle due membrane. Le SNARE sono piccole proteine che si trovano sulla superficie della vescicola e sulla membrana bersaglio e vi restano fissate perché un segmento della proteina penetra attraverso le membrane oppure perché questo è legato covalentemente alle catene lipidiche. Quando le proteine SNARE di due membrane si avvicinano, le loro catene si intrecciano e tirano le membrane una verso l'altra fino a farle quasi toccare. Il complesso mostrato qui è di vescicole di una sinapsi nervosa (file PDB 1sfc e 1br0). Sulla vescicola è legata la proteina SNARE sinaptobrevina (blu) mentre la membrana cellulare possiede due proteine SNARE, sintaxina (rossa) e SNAP-25 (verde).

Fusione di Membrane
Gli esperimenti hanno dimostrato che due o tre di questi complessi di proteine SNARE sono sufficienti per produrre la fusione di una vescicola con la membrana. I ricercatori hanno anche scoperto che il processo richiede l'assistenza di alcune altre proteine che guidano le proteine SNARE e regolano il tempo e il luogo in cui deve avvenire la fusione. Ma qui finiscono le attuali conoscenze scientifiche: i dettagli di come i lipidi della membrana della vescicola si inseriscono nella membrana bersaglio sono ancora uno dei misteri irrisolti della biologia cellulare.

Navigare nella Nomenclatura
Come spesso accade in biologia molecolare, le proteine coinvolte nella fusione delle vescicole sono state chiamate con nomi che ricordano come sono state scoperte. La prima è stata scoperta inattivando le proteine con N-etilmaleimmide, una molecola che si lega alla cisteina, e poi aggiungendo in vitro le proteine sane una ad una fino a quando è ricominciata la fusione delle vescicole. Questo ha portato alla scoperta di NSF: N-ethylmaleimide-Sensitive Factor, la proteina inattivata dalla N-etilmaleimmide. Poi sono state scoperte altre proteine che interagivano con NSF che sono state chiamate proteine alfa-SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) e infine altre proteine che interagivano con SNAP, le proteine SNARE (SNAP REceptor). Purtroppo la nomenclatura si è ulteriormente complicata perché l'acronimo SNAP è stato usato anche in un altro caso, SNAP-25 (synaptosomal-associated protein), la proteina SNARE verde della figura sopra, che non va quindi confusa con alfa-SNAP. Quando esaminate la letteratura scientifica relativa alla fusione di vescicole, fate attenzione ai nomi perché possono ingannare.

Separare le SNARE
Dopo che le proteine SNARE hanno finito il loro lavoro, devono essere smontate e riciclate per il prossimo trasporto. Il fattore NSF, mostrato qui dal file PDB 1nsf, realizza questo importante passaggio. E' un membro di una classe di enzimi che usano ATP per sciogliere le proteine. Come gli altri membri di questa classe è composto da un anello di sei subunità, ognuna con un sito attivo in grado di legare e idrolizzare ATP.




















Esplorando la Struttura
Molte proteine aiutano le proteine SNARE nel loro compito. La complexina, mostrata qui in giallo (PDB 1kil), è parte del meccanismo che consente alle vescicole sinaptiche di rilasciare il loro contenuto rapidamente e al momento voluto. La sua funzione è quella di stabilizzare il complesso delle proteine SNARE e di tenere la vescicola vicino alla membrana cellulare pronta per fondersi con questa al comando.
La complexina (gialla) stabilizza l'intreccio tra la sinaptobrevina (blu, legata alla vescicola), la sintaxina e la SNAP-25 (rossa e verde, legate alla membrana).



Nelle due figure qui sopra si vede che la complexina si lega esternamente al groviglio di proteine SNARE intrecciate e contribuisce a tenerlo unito.
Nella figura seguente si vede che il groviglio di proteine SNARE ha una struttura cilindrica con un lume al centro e che la complexina gialla è legata al di fuori della struttura.



Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Quando non è utilizzata, la proteina SNARE syntaxina forma un complesso con la proteina Munc18-1 che la mantiene in una forma inattiva e ripiegata. Potete esplorare questo complesso nel file PDB 3c98.

Bibliografia
J. Rizo and T. S. Sudhof (2012) The membrane fusion enigma: SNAREs, Sec1/Munc18 proteins, and their accomplices--guilty as charged? Annual Review of Cell and Developmental Biology 28, 279-308.

1br0: I. Fernandez, J. Ubach, I. Dulubova, X. Zhang, T. C. Sudhof & J. Rizo (1998) Three-dimensional structure of an evolutionarily conserved N-terminal domain of syntaxin 1A. Cell 94, 841-849.

1sfc: R. B. Sutton, D. Fasshauer, R. Jahn & A. T. Brunger (1998) Crystal structure of a SNARE complex involved in synaptic exocytosis at 2.4 A resolution. Nature 395, 347-353.

1nsf: R. C. Yu, P. I. Hanson, R. Jahn & A. T. Brunger (1998) Structure of the ATP-dependent oligomerization domain of N-ethylmaleimide sensitive factor complexed with ATP. Nature Structural Biology 5, 803-811.

1kil: X. Chen, D R. Tomchick, E. Kovrigin, D. Arac, M. Machius, T. C. Sudhof & J. Rizo (2002) Three-dimensional structure of the complexin/SNARE complex. Neuron 33, 397-409.


Codici PDB Correlati
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