Molecular architecture of synaptic vesicles and clathrin-coated vesicles revealed by cryo-electron tomography

Synaptische Vesikel (SVs) speichern und transportieren Neurotransmitter (NTs) zur präsynaptischen aktiven Zone. Nach der NT-Freisetzung muss überschüssige präsynaptische Membran über verschiedene Mechanismen, darunter die Clathrin-vermittelte Endozytose (CME), zurückgewonnen werden. CME ist ein mehrstufiger Prozess zur Neubildung von SV. Frühere Studien untersuchten die molekulare Zusammensetzung von SVs mittels Proteomik und Fluoreszenzmikroskopie und schlugen ein Modell eines durchschnittlichen SVs vor. Die Variabilität einzelner SVs ist jedoch bislang nur unzureichend verstanden. Mit Hilfe von Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) wurde die molekulare Organisation von SVs visualisiert, welche entweder aus Mausgehirn isoliert oder in Hippocampusneuronen kultiviert wurden. Dabei wurden mehrere Klassen kleiner Proteine auf der Vesikeloberfläche beschrieben. Die V-ATPase, das größte SV-Protein, wurde in Tomogrammen isolierter SVs identifiziert und zeigte eine zufällige Verteilung in der Vesikelmembran, was darauf hindeutet, dass eine Clusterbildung für ihre Funktion nicht erforderlich ist. Mittels Subtomogramm-Mittelung wurde zudem gezeigt, dass die V-ATPase einen Komplex mit einem bislang unbekannten Membranprotein bildet. Durch die Kombination von Proteomik, Kryo-ET und computergestützter Strukturbiologie konnte dieses Protein als Synaptophysin identifiziert werden. Eine Subpopulation isolierter Vesikel sowie Vesikel in Neuronen wies einen teilweise demontierten Clathrinmantel auf. Darüber hinaus wurden Clathrin-„Körbe“ ohne Vesikel sowohl in Präparationen isolierter SVs als auch in Hippocampusneuronen identifiziert. Diese „Körbe“ und clathrinbeschichteten Vesikel waren bevorzugt in unmittelbarer Nähe der Zellmembran lokalisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis der Diversität einzelner synaptischer Vesikel und liefern neue Erkenntnisse über deren Recycling sowie die Clathrin-vermittelte Endozytose.