SNAREタンパク質
膜の融合は、タンパク質の膜中の移動、脂質二重層の破壊、高度に湾曲した膜構造の再形成、というエネルギーを要する一連の過程からなる。2つの膜を近接させる過程は、膜間の静電的な反発力をの乗り越えるためにエネルギーの入力を必要とする。融合に先立って膜接触領域からの膜結合タンパク質の移動を調節する機構は不明であるが、膜の曲率の局所的な増大がこの過程に寄与していると考えられている。SNAREはタンパク質-脂質、タンパク質-タンパク質相互作用からエネルギーを産出し、それらが膜融合の駆動力となる。
1つのモデルでは、融合の間2つの膜を近接させておくために必要な力は、トランスSNARE複合体からシスSNARE複合体が形成される際のコンフォメーション変化からもたらされるとされる。現在の仮説では、この過程はSNAREジッパリング(zippering)と呼ばれている。
トランスSNARE複合体が形成されたとき、SNAREタンパク質は未だ異なる膜上に存在する。SNAREタンパク質が自発的にコイル形成を続けるにつれて、より緊密で安定した4-ヘリックスバンドルが形成される。このSNARE複合体のジッパリングの過程で放出されるエネルギーの一部は、個々のSNAREモチーフが屈曲するストレスとして貯蔵されると考えられている。この機械的ストレスは、膜貫通ドメインとSNAREヘリックスバンドルの間の準剛体的な(フレキシブルではない)リンカー領域へ貯蔵されると想定されている。このエネルギー的に不利な屈曲は、複合体が膜融合部位の周縁部へ移動したときに最小化となる。結果として、ストレスの解放が小胞-細胞膜間の反発力を上回り、2つの膜は互いに押し付けられることとなる。
コアSNARE複合体は4-ヘリックスバンドルである。シンタキシンとシナプトブレビンはαヘリックスを1本ずつ提供するが、SNAP-25からは2本のαヘリックスが加わる(Sn1、Sn2と略される)。SNARE複合体をジッパリング(zippering)するアミノ酸残基は層ごとにグループ分けされる。各層は、4本のαヘリックスそれぞれから1残基ずつの4つのアミノ酸残基で構成される。複合体の中央('0'層)は1つのアルギニン(R)と3つのグルタミン(Q)残基から構成されるzero ionic layerで、ロイシンジッパーが隣接している。複合体中央部の'-1'、'+1'、'+2'層は、ほぼ理想的なロイシンジッパー構造とアミノ酸構成をしている。
zero ionic layerはVAMP-2のアルギニン56番残基、シンタキシン1Aのグルタミン226番残基、Sn1のグルタミン53番残基、Sn2のグルタミン174番残基から構成され、ロイシンジッパー層の内部に完全に埋め込まれている。アルギニン残基の正に帯電したグアニジノ基が、3つのグルタミン残基のカルボキシル基と相互作用する。
隣接するロイシンジッパー層は、イオン結合を周囲の溶媒から保護する耐水性シールとして機能している。zero ionic layerが水溶媒に曝露されると、隣接するロイシンジッパーが崩壊しSNARE複合体は不安定になる。これはシナプス小胞のエキソサイトーシスの完了後、α-SNAPとNSFがSNARE複合体をリサイクルする機構であると考えられている。
BoNTには8つの既知のアイソタイプ(BoNT/AからBoNT/H)が存在し、それぞれSNAREタンパク質の特異的切断部位が異なる。シナプス膜に位置するSNAREタンパク質ファミリーのメンバーSNAP25は、アイソタイプA、C、Eによって切断される。これらのアイソタイプによるSNAP25の切断は、小胞のシナプス膜への融合のためのSNARE複合体形成を大きく阻害する。BoNT/Cは、シナプス膜に位置する別のタンパク質であるシンタキシン1をも標的とする。シンタキシンの切断もSNAP25と同様の結果となる。3つ目のSNAREタンパク質シナプトブレビン(VAMP)は小胞に位置する。VAMP2はアイソタイプB、D、Fの標的であり切断される。BoNTのさまざまなアイソタイプとテタヌストキシン(TeNT)の標的が右の図で示されている。
BoNTはSNAREタンパク質の機能的損傷を引き起こすため、重大な生理的・医学的意義を有している。SNAREタンパク質を損傷させることで、毒素はシナプス小胞がシナプス膜へ融合して神経伝達物質をシナプス間隙へ放出するのを防ぐ。シナプス間隙への神経伝達物質の放出が阻害されることで、筋細胞の刺激のための活動電位が伝達されなくなる。その結果、感染者には麻痺が引き起こされ、深刻な場合には死が引き起こされることもある。BoNTの効果は致死的ともなりうるが、医療や美容目的の治療薬としても利用されている。