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大脑是人类产生情感,学习和记忆的根源,而神经元则是完成这些功能的基本单元。神经元存在一特化的结构称为轴突(axon),其通过轴突来向胞体远端传递电信号,并导致作为化学信号的神经递质从其末端的特殊结构突触(synapse)释放神经递质,从而将信号传递给其他神经元以及效应器官或组织。突触位于神经元轴突的远端,包含了前一个细胞的轴突末端膨大,后一个细胞的胞体或树突,以及二者之间的细胞间质,称为突触间隙(synaptic cleft)。突触前的轴突末端包含了大量装载有神经递质的突触囊泡(synaptic vesicle),当胞体传递而来的电信号到达轴突末端,引起突触前膜的去极化,激活突触前膜上的电压敏感钙离子通道,导致胞外钙离子内流从而触发突触囊泡与突触前膜融合,释放神经递质进入突触间隙。突触间隙中的神经递质结合到突触后细胞膜上的特异性受体,引起下一个神经元或效应细胞接下来的一系列反应,完成神经系统的信号传递。装载了神经递质的突触囊泡经由拴系(tethering),锚定(docking),成熟(priming)以及融合(fusion)四个主要过程将神经递质释放入突触间隙。调控这些过程的蛋白质以及蛋白质复合体复杂而又精细,其中可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体(Soluble N-ethylmaleimide Sensitive Factor Attachment Protein Receptors,SNAREs)Syntaxin-1,SNAP-25,以及Synaptobrevin-2/VAMP2组装形成的SNARE复合物是介导突触囊泡与突触前膜融合的分子机器。对于神经系统而言,突触前膜区域调控SNARE复合物组装的两个关键蛋白分别是Sec1/Munc18家族蛋白Munc18-1以及Unc13/Munc13s家族蛋白Munc13-1。尽管早期的敲除实验证实了Munc18-1以及Munc13-1的敲除均会导致神经元功能以及神经递质分泌的缺陷,二者在SNARE复合物组装的中的功能以及分子机制尚不为人知。由于Munc13-1的功能尚不够明确,并且Munc13-1与SNARE蛋白以及Munc18-1的相互作用关系未被阐明,尤其是Syntaxin-1是如何从Munc18-1的紧密结合状态中被激活而可以与SNAP-25以及Synaptobrevin-2/VAMP2组装形成SNARE复合物,本论文围绕Munc18-1以及Munc13-1在介导SNARE复合物组装和促进突触囊泡与突触前膜融合中的重要功能,分为三部分分别解决了以下几个问题:1)鉴定了Munc13-1 MUN结构域的晶体结构,区分了Munc13-1 MUN结构域的四个亚结构域组成,并且发现了Munc13-1 MUN结构域上介导Munc18-1/Syntaxin-1复合物的打开和SNARE复合物组装的关键氨基酸残基Asn1128及Phe1131;2)阐述了Munc13-1 MUN结构域使Munc18-1/Syntaxin-1复合物的打开和激活的分子机制,并发现了Syntaxin-1上与Munc13-1 MUN结构域相互作用的位点Arg151及Ile155;3)发现了Synaptobrevin-2/VAMP2与Munc13-1 MUN结构域的相互作用,并解析了二者复合体的晶体结构。结合Synaptobrevin-2/VAMP2与Munc18-1,Munc13-1与Munc18-1/Syntaxin-1之间的相互关系,分析并鉴定了突触囊泡成熟复合体是由Munc18-1,Syntaxin-1,Munc13-1,以及Synaptobrevin-2/VAMP2组成,这一四元复合体协同作用起始了SNARE复合物的组装和膜融合过程。总结而言,我们的研究结果揭示了Munc13-1和Munc18-1在SNARE复合物组装以及介导突触囊泡成熟中的功能和分子机制。为了解神经信号传导的分子机制提供了有力的理论基础。