Mon1b 协同NSF调控早期内吞体膜融合的机制研究

Membrane fusion is one of the most fundamental processes in life. The evolutionally conserved ATPase, NSF (N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein), is a critical determinant for SNARE disassembly during membrane fusion process. Although the mechanisms underlying NSF driven SNARE disassembly have been extensively studied, how NSF is regulated during the process remains largely unknown. Most recently, we characterized Mon1b as a novel NSF-binding protein. Our preliminary data suggest that Mon1b is a critical regulator of NSF and plays crucial functions for early endosome fusion. More importantly, Mon1b could stimulate the ATPase activity of NSF in vitro. In this project, we focus on the following experiments to address the molecular and cellular mechanisms by which Mon1b acts as an adaptor of NSF to control the early endosome fusion: 1) Explore the molecular mechanism by which Mon1b regulates NSF; 2) Determine whether and how Mon1b-NSF interaction contributes to SNARE assembly and disassembly; 3) Investigate the functional significance of Mon1b in NSF controlled early endosome fusion. Our future research results will provide novel mechanism to fully understand the NSF-SNARE driven membrane fusion.

膜的融合是基本生命活动所必须的。进化上保守的ATP酶NSF是介导细胞内膜融合的关键蛋白，在膜融合核心驱动复合物SNARE去组装过程发挥决定作用。目前对NSF介导的SNARE去组装机制已经有了较深了解，但对NSF自身的调控机制还知之甚少。我们最近发现了一个全新的NSF结合蛋白Mon1b。初步研究结果显示Mon1b是重要的NSF调控蛋白，参与早期内吞体（early endosome）的融合过程。进一步研究发现Mon1b能够激活NSF的ATP酶活性。本项目将从以下几方面深入研究Mon1b和NSF协同调控早期内吞体膜融合的分子细胞机理：1）揭示Mon1b对NSF的功能调控及分子机制；2）阐明Mon1b 对NSF的调节是否/如何影响SNARE复合物组装和去组装；3）确定Mon1b和NSF在早期内吞体膜融合过程中的协同功能。本项目研究结果将为理解NSF-SNARE复合体介导的膜融合过程提供重要机制。

本项目聚焦研究生物膜融合关键ATP水解酶NSF（N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein）的活性调控机制。在过去4年的项目执行期内，本课题研究始终围绕既定科学目标，按照预定研究方案持续推进。到目前为止，我们已经全面实现了项目预期目标，主要研究发现如下：Mon1b是一个重要的NSF调控蛋白，Mon1b和NSF蛋白的结合能够抑制NSF的ATP水解酶活性。这一过程对整个膜融合过程至关重要。当一次膜融合结束时，NSF通过水解ATP进而促进SNARE复合物实现解聚，解聚后的SNARE蛋白因此可以参与下一轮膜融合过程。同时伴随这个过程完成的结果之一是，NSF由ATP结合形式转换为ADP结合形式。此时，Mon1b可以与ADP结合状态的NSF结合，并将其转移进入细胞质中。在下一次膜融合开始前，细胞质中的NSF-Mon1b复合物重新通过aSNAP被招募到膜表面的SNARE复合物上。此时，由于Mon1b的存在，NSF始终保持ADP结合状态，因此处于“失活”状态。这一过程对膜融合至关重要。因为如果NSF的活性一直处于激活状态，则SNARE复合物将处于频繁聚合和解离的不稳定交互状态，结果导致膜融合不能有效完成。因此，Mon1b对NSF活性的时空限制是保证SNARE复合物稳定的重要机制。当膜融合完成后，Mon1b脱离NSF，进而释放其ATP水解酶活性，“活化”的NSF得以主导SNARE的有效解聚。至此，一次完整的SNARE“聚合-解离”循环得以完成。综上，本项目发现了生物膜融合的一种关键机制，是这个领域的重要突破。