哺乳動物大腦V-ATPase的模式調節

撰文 | 十一月

液泡型三磷酸腺苷酶

V-ATPases

（Vacuolar-type adenosine triphosphatases）是一種與F型ATP合成酶結構相關的質子泵，利用ATP水解過程中釋放的能量將質子泵過細胞膜，是細胞內酸化以及酸分泌所必須的

【1-3】

。V-ATPases首先被發現於酵母細胞的液泡膜，因而得名。在神經元中，每個突觸囊泡約有一個V-ATPases，為所有神經遞質進入突觸囊泡提供能量

【4】

。但是目前為止V-ATPases作用單分子模型還尚不可知。

2022年11月23，丹麥哥本哈根大學

Dimitrios Stamou

研究組在

Nature

上發表了文章

Regulation of the mammalian-brain V-ATPase through ultraslow mode-switching

，

發現V-ATPases並不是連續轉運質子，而是存在三種不同的作用模式，分別是質子泵模式

（Proton-pumping）、

失活模式

（Inactive）

以及質子洩漏模式

（Proton-leaky），

從單分子水平的揭開了V-ATPase的工作原理。

V-ATPases的功能在許多不同的細胞、生理以及病理過程中都很重要，包括膜運輸、訊號傳遞以及癌症轉移等等。在神經元突觸囊泡中，V-ATPases將質子轉移進入突觸囊泡腔內。為了對V-ATPases在單分子水平上進行理解，作者們對V-ATPases酶功能進行的測量，並對其作用機制進行揭示。

為了保持哺乳動物大腦V-ATPases酶的質子泵活性，作者們直接從完整的突觸囊泡中分離出了內源性V-ATPases，可以使用基因編碼的pH感測器測量突觸囊泡中pH的變化來表徵質子的轉運。為了觀察單個突觸囊泡中V-ATPases在長達3小時內的活性，作者們在突觸囊泡中加入了16-300個光穩定的合成的pH指示物DOPE-pHrodo

（圖1）

。

為了啟用V-ATPases，作者們添加了ATP，大約15分鐘後達到的pH平臺階段，反映了質子主動泵入腔內和質子被動沿濃度梯度向下滲透到膜之間所達到的動態平衡。透過加入V-ATPases特異性抑制劑阻斷質子泵的作用，質子梯度會發生不可逆的坍塌。

圖1 觀測V-ATPases單分子水平作用模式

為了量化V-ATPases不同模式的轉變，作者們開發了一個隨機的貝葉斯檢驗模型，透過對停留時間進行分析，揭示出V-ATPases的作用模式。作者們發現啟用的V-ATPases可以退出質子泵模式，切換到失活或者質子洩漏模式。進一步地，作者們對原位單分子V-ATPases質子泵的質子梯度進行測量，發現pH的梯度變化調節V-ATPases質子泵在不同模式之間進行轉換。

ATP這一催化底物的可用性對於的V-ATPases質子泵的活性也是必不可少的。在該工作中作者們

首次在單分子水平上測試了ATP對於質子泵的影響，發現廣泛的生理相關ATP濃度也參與到調節質子泵的模式切換。

圖2 工作模型

總的來說，作者們在該工作中利用鼠腦中直接純化的V-ATPases質子泵首次在單分子水平上揭開了其不同變化模式，哺乳動物中的V-ATPases質子泵可以在pH梯度以及ATP底物調節下從活躍的質子泵模式轉換為失活或者質子洩漏模式

（圖2）

，強調了神經遞質傳遞以及質子泵模式轉換的機理以及生物學重要性。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05472-9

參考文獻

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4。 Takamori， S。 et al。 Molecular anatomy of a trafficking organelle。

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