神经突触囊泡与突触前膜融合过程及其分子调控机制研究

The mechanism of synaptic transmission is one of the key problems in the field of neuroscience. Synaptic vesicle-presynaptic membrane fusion is one of the key steps in synaptic transmission, and the pulling force generated by SNARE is one of the key factors in this process. Study on the fusion of synaptic vesicle - presynaptic membrane will be helpful to understand the molecular regulation mechanism of substance exchange in cell through vesicle-membrane fusion. This project is to study the molecular regulation mechanism of synaptic vesicle - presynaptic membrane fusion process by using molecular simulation method and single-molecular experiments. We propose to study: kinetics of synaptic vesicle - presynaptic membrane fusion process; the interactions between the transmembrane domains of SNARE and membrane; influence of synaptic vesicle’s curvature on fusion. Our goals are: quantitative description of the evolution of synaptic vesicle - presynaptic membrane fusion process, identify the pathway of synaptic vesicle - presynaptic membrane fusion, so as to provide insights for the regulation mechanism of Kiss-and-Run and Full-collapse-Fusion modes of membrane fusion; understand the regulation mechanism of SNARE on fusion pore formation, stability and dilation of fusion pore; understand the mechanism of synaptic vesicle’s curvature on fusion.

神经突触传递机制研究是神经科学领域重点探索的核心问题之一。突触囊泡-突触前膜融合是突触传递关键的一步，该过程中SNARE蛋白产生的拉力是调控融合的关键因素之一。对突触囊泡-突触前膜融合过程的研究，将有助于理解细胞通过囊泡-膜融合进行物质交换的行为及其分子调控机制。本项目拟围绕突触囊泡-突触前膜融合过程，采用分子模拟方法结合单分子实验技术定量研究该过程的分子调控机制。拟研究内容包括：突触囊泡膜-突触前膜融合动力学过程；SNARE蛋白跨膜部分与磷脂膜的相互作用；突触囊泡膜曲率对融合的影响。主要目标是：定量描绘突触囊泡-突触前膜融合过程，明确突触囊泡-突触前膜融合路径，从而为Kiss-and-Run模式与Full-collapse-Fusion模式的调控机制提供可能的方式及依据；理解SNARE蛋白调控融合孔产生、稳定及扩展的机理；理解突触囊泡膜曲率影响融合的物理机理。

本项目围绕着磷脂膜融合的调控机制，以及生物材料的强韧化及其与皮肤脂质膜的相互作用机制进行研究。研究发现磷脂双分子层曲率诱导膜表面产生“缺陷”，是α-synuclein和complexin等曲率敏感蛋白优先与高曲率膜结合的分子机理；揭示了α-synuclein与带负电磷脂相互作用募集脂质囊泡聚集并受钙离子调控的分子机理；揭示了α-synuclein糖基化抑制低聚物形成的分子机理；提出了细胞膜融合过程中生理和病理情况下融合孔的产生及调控的物理模型等。另一方面，揭示了丝蛋白β片晶体的强韧化机制；建立了丝蛋白-碳纳米管网络结构的多尺度模拟模型，揭示了碳纳米管加入后在丝蛋白中形成双网络结构，加强了丝蛋白原结构的网络交联及相互作用，从而获得优异的强度和韧性；建立了藻酸盐-聚丙烯酰胺水凝胶与皮肤脂质层相互作用的模拟模型，阐明了藻酸盐-聚丙烯酰胺水凝胶主要通过与皮肤角质层形成大量氢键相互作用，实现良好的粘附性能和超低的界面电阻抗。围绕本项目，在Biophysical Journal、Nano Letters、Nature Communications、Advanced Materials、Progress in Lipid Research、Soft Matter、Science China Physics, Mechanics & Astronomy等国内外主流期刊发表期刊论文15篇。依托本项目，已培养毕业博士研究生1名，已毕业硕士研究生3名，正在培养博士研究生3名，正在培养硕士研究生3名。参加了9次国内学术会议并作邀请报告或口头报告，作为会议共同主席举办了2次国内学术会议。