「SNARE複合体」の版間の差分

　シンタキシン1 、SNAP-25、シナプトブレビン2の[[ノックアウトマウス]]では開口放出による同期した[[神経伝達物質]]放出が見られないことや<ref name=ref6><pubmed>11753414</pubmed></ref> <ref name=ref7><pubmed>11691998</pubmed></ref> <ref name=ref8><pubmed>24587181</pubmed></ref>、タイプ特異的にSNAREタンパク質を切断する破傷風毒素やボツリヌス毒素を作用させると、神経伝達物質放出が抑制されること<ref name=ref9><pubmed>10195143</pubmed></ref>、[[wikipedia:ja:|リポソーム]]にSNAREタンパク質を組み込むとリポソーム同士の融合が引き起こされることなどから<ref name=ref10><pubmed>9529252</pubmed></ref> <ref name=ref11><pubmed>25997356</pubmed></ref>、SNARE複合体の形成が脂質膜の融合を引き起こすと考えられるようになった<ref name=ref12><pubmed>19164740</pubmed></ref> <ref name=ref13><pubmed>24183019</pubmed></ref> <ref name=ref14><pubmed>23060190</pubmed></ref>。

　細胞膜や細胞内膜は脂質二重層からできており、表面は親水性である[[wikipedia:ja:|リン脂質]]の極性部分が被い、膜の内部には疎水性の炭化水素の尾の部分が並んでいる（図1）。小胞膜と標的の生体膜が融合するためには、二つの膜の疎水性部分が水層を超えて連絡するヘミフュージョン状態をとる必要があり、そのためには2つの膜が非常に接近する必要がある。しかしリン脂質の親水性の頭部には水分子が水和しており、2つの脂質膜は2.5Å以内に接近することは通常では困難である。このため脂質膜の融合が起こるためには、タンパク質の助けが必要となるが、その役割を担うタンパク質がSNAREタンパク質と呼ばれる一群のタンパク質である。

[[image:snare複合体2.png|thumb|300px|'''図2．Heptad repeat（7アミノ酸繰り返し構造）'''<br>A.　Heptad repeatモチーフを持つポリペプチド鎖のアミノ酸配列を、7残基ごとに改行してアミノ酸の1文字表記で表したもの。7アミノ酸をa～gとした場合、a位とd位に疎水性のアミノ酸が配置されている。　B. Heptad repeatモチーフを持つポリペプチド鎖が3.5アミノ酸残基で一回転するへリックス構造をとった場合のa～gアミノ酸の位置をへリックスの上から見たもの。C.　同じく横から見たもの。疎水性のa位とd位のアミノ酸（黄色で示してある）が、へリックスの片面に集まって配置される。]]

[[image:snare複合体4.png|thumb|300px|'''図3．SNARE複合体の基本構造'''<br>A.　シナプトブレビン（R）、シンタキシン1A（Qa）SNAP-25のN末側（Qb）およびSNAP-25のC末側（Qc）のSNAREモチーフのアミノ酸の一次配列。N末端を左にして、アミノ酸の1文字表記で示してある。Heptad repeatのa位およびd位のアミノ酸を赤字で示してある。SNAREモチーフの中央付近にはd位のアミノ酸に親水性のアルギニン（R）あるいはグルタミン（Q）が配置された箇所があり、これらのアミノ酸側鎖が作るレイヤーを0レイヤーと呼んでいる。0レイヤーを中心に、各レイヤーには-7～-1および+1～+8の番号が振られている。B.　X線結晶解析で明らかにされたSNARE複合体の構造。シンタキシン1（赤, Syn1）、SNAP-25（緑, S25NおよびS25C）、シナプトブレビン2（青, VAMP2）のSNAREモチーフを含む領域を、N末端が左手に来るようにカートゥーンモデルで示し、0レイヤーのアミノ酸側鎖のみを球棒モデルで示してある。C.　SNARE複合体が形成されたシナプス小胞と細胞膜の模式図。]]

　SNAREタンパク質は概して[[wikipedia:ja:|アミノ酸]]100～300位からなる小さなタンパク質で、分子内に約60アミノ酸からなるSNAREモチーフを持っている。SNAREモチーフには[[heptad repeat]]と呼ばれる7アミノ酸の繰り返し構造がある（図2）。Heptad repeatを構成する7つのアミノ酸残基をa～gとした時、aとdの位置には[[ロイシン]]、[[イソロイシン]]、[[バリン]]などの[[wikipedia:ja:|疎水性アミノ酸]]が、他の部位には主に[[wikipedia:ja:|親水性アミノ酸]]が配置されている。Heptad repeatを持つポリペプチド鎖が[[wikipedia:ja:|ヘリックス]]を巻くと、へリックスの片側に疎水性残基が帯状に連なるため、heptad repeatを持つ他のへリックスと疎水性面を介して会合しコイルドコイル複合体を作る。

　小胞体で作られた膜タンパク質は、細胞内小胞輸送機構で細胞膜やゴルジ体をはじめとする様々な細胞内小器官に輸送されていく。これらのタンパク質輸送には送り手の膜から出芽した輸送小胞が標的の膜に融合する細胞内小胞輸送機構によって営まれており、全ての膜融合にSNAREタンパク質が関わっている。小胞膜のSNAREをv-SNARE、融合する標的膜のSNAREをt-SNAREと呼ぶが、シナプスではシナプス小胞にあるシナプトブレビン2がv-SNAREとして、シナプス前膜にあるシンタキシン1とSNAP-25がt-SNAREとして機能している。

　細胞膜に存在するシンタキシン1の細胞質部分は、HA、HBおよびHCの3つのへリックス構造をとり得るN末ドメイン（27-146）と、C末側のSNAREモチーフを持つH3ドメインから構成されている（図5）。HA、HB、HCの3つのへリックスは交互に折りたたまれたHabc 3-helical bundleを形成し、SNARE複合体形成制御に関わっている<ref name=ref19><pubmed>9753330</pubmed></ref>。シンタキシン1はHabc 3-helical bundle にシンタキシン1のSNAREモチーフが結合したclosed conformation と、Habc 3-helical bundle とSNAREモチーフが解離したopen conformation とをとる<ref name=ref20><pubmed>10449403</pubmed></ref> <ref name=ref21><pubmed>10048921</pubmed></ref> <ref name=ref22><pubmed>11017200</pubmed></ref>（図7）。Open conformationにあるSNAREモチーフは、SNAP-25およびシナプトブレビン2のSNAREモチーフと結合しSNARE複合体を形成できるが、closed conformationをとるシンタキシン1は、N末ドメインがSNAREモチーフを持つH3に結合してシナプトブレビン2との結合を抑制するためSNARE複合体を形成することができない。

　Munc18は68 kDaのタンパク質でclosed conformationにあるシンタキシン1に結合し安定化させることで、SNARE複合体形成に抑制的な制御因子として働いている<ref name=ref20 /> <ref name=ref23><pubmed>8247129</pubmed></ref>。Munc18には、このような抑制的な機能の他に、SNARE複合体の会合解離サイクルの全体でSNARE複合体に常に結合し、開口放出に必須な役割も果たしているが、その詳細は明らかにはなっていない<ref name=ref24><pubmed>19255244</pubmed></ref> <ref name=ref25><pubmed>17218264</pubmed></ref> <ref name=ref26><pubmed>18703708</pubmed></ref>。

[[image:snare複合体8.png|thumb|300px|'''図8．SNARE複合体形成のクランプ仮説'''<br>シンタキシン/SNAP-25複合体にコンプレキシンが作用すると（A）、シナプトブレビン2との複合体形成が促進されるが、N末端側から始まるSNARE複合体形成は0-レイヤー付近で停止ししている（B, クランプ状態）。Ca2+濃度が上昇するとシナプトタグミンがコンプレキシンに代わってSNARE複合体に結合してクランプが外れ、SNARE複合体形成が最後まで進行して小胞膜と細胞膜の融合が引き起こされる。このような機構を用いることにより、Ca2+濃度上昇後数ミリ秒以内での膜融合が可能になると考えられる。<br><ref name=ref27 />より改変]]

　v-SNAREを組み込んだリポソームの平面膜への融合速度は遅く、結合してから10-100 ms後でないと起らないが、神経伝達物質放出は非常に素早く起こり、Ca2+流入後1 ms以内には完了する。このような素早い放出を可能にするためには、律速段階であるSNARE複合体形成は予めある段階まで進行させておき、Ca2+の流入に即応して素早く複合体形成が完了できる状態にしておく必要があると考えられる<ref name=ref21 /> <ref name=ref27><pubmed>16498411</pubmed></ref> <ref name=ref28><pubmed>16888141</pubmed></ref> <ref name=ref29><pubmed>20142423</pubmed></ref>。SNARE複合体形成はN末端側から始まり、ジッパーを締めるようにC末方向に進行していく。コンプレキシン（Complexin）は134アミノ酸からなる小型のタンパク質で、分子の中央部のへリックス部位がSNARE複合体のN末側に結合しSNARE複合体形成の開始を促進する<ref name=ref30><pubmed>11832227</pubmed></ref>。しかしコンプレキシンのN末側のへリックスはシナプトブレビン2のSNAREモチーフのC末側と拮抗しSNARE複合体形成の完了を阻害する。このためコンプレキシン存在下ではSNARE複合体形成は０レイヤー付近で停止した「クランプ」状態に止まることになり膜融合は引き起こされない<ref name=ref31><pubmed>18499660</pubmed></ref> <ref name=ref32><pubmed>21785414</pubmed></ref> <ref name=ref33><pubmed>19164751</pubmed></ref>。Ca2+濃度が高まるとシナプトタグミン（Synaptotagmin）がコンプレキシンにとって代わって結合してクランプ状態を解除し、その結果SNARE複合体形成が完了して膜融合が速やかに引き起こされる<ref name=ref13 /> <ref name=ref34><pubmed>21785412</pubmed></ref>（図8）。シナプトタグミンはCa2+依存的にリン脂質に結合するが、リポソームにシナプトタグミンを加えると、チューブ状の構造ができることから、結合した脂質2重膜の曲率を変化させる作用があると考えられる。これらのことからシナプトタグミンにはクランプ状態を解除させる機能に加え、細胞膜の曲率を局所的に変えることにより、膜融合の速度をさらに加速する機能もあると考えられる<ref name=ref35><pubmed>17478680</pubmed></ref> <ref name=ref36><pubmed>20211126</pubmed></ref> <ref name=ref37><pubmed>19703397</pubmed></ref>。

　膜融合が完全に進行し、小胞膜が細胞膜に完全に組み込まれると、SNARE複合体はv-SNAREとt-SNAREが異なる膜に存在するtrans型から、同一の膜に存在するcis-型に移行する。v-SNAREであるシナプトブレビン2とt-SNAREであるシンタキシンはC末端に細胞膜貫通するへリックス構造を持つが、SNAREモチーフとの間にはリンカー部分が存在する（図5）。細胞膜貫通部位を含むcis-SNARE複合体の構造がNMR構造解析で明らかにされたが、へリックス構造はSNAREモチーフのみならず、リンカー部分や膜貫通部位にまで及んでいる<ref name=ref38><pubmed>19571812</pubmed></ref>（図8）。このためt-SNAREとv-SNAREの複合体形成はSNARE複合体を超えて細胞膜貫通部位にまで及び、その結果2つの脂質膜は非常に接近させられ膜融合へと移行すると考えられる。

　SNARE複合体形成は発エルゴン反応であるが、SNARE複合体形成により放出される自由エネルギーは膜融合を起こすのに十分な大きさであることが示されている<ref name=ref4 />。膜融合が完全に進行する以前に小胞膜と細胞膜が連結すると、フュージョンポアが形成され、小胞の内容物の放出が始まる。フュージョンポアが形成されるにはSNARE複合体が完全に形成されることが必要で、フュージョンポアの形成にはシナプトブレビン2やシンタキシン1の膜貫通領域が間接的に寄与している<ref name=ref39><pubmed>24985331</pubmed></ref> <ref name=ref40><pubmed>15016962</pubmed></ref>。

　エンドサイトーシスで小胞膜タンパク質が再回収されるためには、cis-SNARE複合体が解離し、v-SNAREとt-SNAREに分離される必要がある。この変化は吸エルゴン反応であり、進行するためには自由エネルギーの供給が必要である。N-ethylmaleimide-sensitive factor（NSF）はATPase活性を持ち、ATPの加水分解エネルギーを利用してcis-SNARE複合体を解離させる。cis-SNARE複合体へのNSFの結合にはsoluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein（αSNAP）と呼ばれるタンパク質が必要である。cis-SNARE複合体に結合した3分子の αSNAPが6量体のNSFと結合し20S複合体を形成した後、ATP加水分解に伴いcis-SNARE複合体の解離が引き起こされる<ref name=ref1 /> <ref name=ref4 /> <ref name=ref12 /> <ref name=ref41><pubmed>25581794</pubmed></ref>。

　Munc18やコンプレキシン、シナプトタグミン以外にもSNAREサイクルの制御に関わるタンパク質が知られている。Munc13はシンタキシン/Munc18-1複合体に結合し、シンタキシンのclosed conformationをopen conformationに変化させることによりSNARE複合体形成を促進するプライミング因子である<ref name=ref42><pubmed>21499244</pubmed></ref>。シンタキシン1とSNAP-25を組み込んだリポソームはシナプトタグミンが存在すればシナプトブレビン2を組み込んだリポソームと効率的に融合する。それに対して、シンタキシンとMunc18を組み込んだリポソームがシナプトブレビン2を組み込んだリポソームと融合するにはSNAP-25とシナプトタグミン以外にMunc13が必要であることが明らかにされている<ref name=ref43><pubmed>23258414</pubmed></ref>。シンタキシン1/SNAP-25複合体はNSF/αSNAPの作用で解離させられるが、Munc18とMunc13が存在するとNSF/αSNAPの作用を受けなくなり、SNARE複合体形成とそれに続く膜融合が効率的に進行すると考えられる。

　198アミノ酸からなるタンパク質であるcysteine string protein（csp）はシャペロンタンパク質であるHsc70のコシャペロンで、DnaJファミリーに属し分子内にJドメインを有している。Cspα/Hsc70/SGT複合体はSNAP-25のミスフォールディングを抑える働きがあり、cspを欠失させるとSNAP-25のミスフォールディングが増加し、SNARE複合体量が減少する<ref name=ref44><pubmed>21151134</pubmed></ref>。

シナプトブレビン]]