Synaptotagmin 1 (Syt1) is an integral membrane protein whose phospholipid-binding tandem C2 domains, C2A and C2B, act as Ca2+ sensors of neurotransmitter release. Our objective was to understand the role of individual metal-ion binding sites of these domains in the membrane association process. We used Pb2+, a structural and functional surrogate of Ca2+, to generate the protein states with well-defined protein-metal ion stoichiometry. NMR experiments revealed that binding of one divalent metal ion per C2 domain results in loss of conformational plasticity of the loop regions, potentially pre-organizing them for additional metal-ion and membrane-binding events. In C2A, a divalent metal ion in site 1 is sufficient to drive its weak association with phosphatidylserine-containing membranes, whereas in C2B, it enhances the interactions with the signaling lipid phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. In full-length Syt1, both Pb2+-complexed C2 domains associate with phosphatidylserine-containing membranes. Electron paramagnetic resonance experiments show that the extent of membrane insertion correlates with the occupancy of the C2 metal ion sites. Together, our results indicate that upon partial metal ion saturation of the intra-loop region, Syt1 adopts a dynamic, partially membrane-bound state. The properties of this state, such as conformationally restricted loop regions and positioning of C2 domains in close proximity to anionic lipid headgroups, "prime" Syt1 for cooperative binding of a full complement of metal ions and deeper membrane insertion.

中文翻译：

---

C2结构域的部分金属离子饱和引发突触结合蛋白1-膜相互作用

Synaptotagmin 1 (Syt1) 是一种完整的膜蛋白，其磷脂结合串联 C2 结构域 C2A 和 C2B 充当神经递质释放的 Ca2+ 传感器。我们的目标是了解这些结构域的单个金属离子结合位点在膜结合过程中的作用。我们使用 Pb2+（一种 Ca2+ 的结构和功能替代物）来生成具有明确蛋白质-金属离子化学计量的蛋白质状态。NMR 实验表明，每个 C2 结构域结合一个二价金属离子会导致环区域的构象可塑性丧失，从而可能预先组织它们以进行额外的金属离子和膜结合事件。在 C2A 中，位点 1 中的二价金属离子足以驱动其与含磷脂酰丝氨酸的膜的弱结合，而在 C2B 中，它增强了与信号脂质 phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 的相互作用。在全长 Syt1 中，两个 Pb2+ 复合的 C2 域都与含有磷脂酰丝氨酸的膜相关联。电子顺磁共振实验表明，膜插入的程度与 C2 金属离子位点的占有率相关。总之，我们的结果表明，在环内区域的部分金属离子饱和后，Syt1 采用动态的、部分膜结合的状态。这种状态的特性，例如构象受限的环区域和靠近阴离子脂质头部基团的 C2 域的定位，“主要”Syt1 用于协同结合完整的金属离子和更深的膜插入。两个 Pb2+ 复合的 C2 结构域都与含有磷脂酰丝氨酸的膜结合。电子顺磁共振实验表明，膜插入的程度与 C2 金属离子位点的占有率相关。总之，我们的结果表明，在环内区域的部分金属离子饱和后，Syt1 采用动态的、部分膜结合的状态。这种状态的特性，例如构象受限的环区域和靠近阴离子脂质头部基团的 C2 域的定位，“主要”Syt1 用于协同结合完整的金属离子和更深的膜插入。两个 Pb2+ 复合的 C2 结构域都与含有磷脂酰丝氨酸的膜结合。电子顺磁共振实验表明，膜插入的程度与 C2 金属离子位点的占有率相关。总之，我们的结果表明，在环内区域的部分金属离子饱和后，Syt1 采用动态的、部分膜结合的状态。这种状态的特性，例如构象受限的环区域和靠近阴离子脂质头部基团的 C2 域的定位，“主要”Syt1 用于协同结合完整的金属离子和更深的膜插入。总之，我们的结果表明，在环内区域的部分金属离子饱和后，Syt1 采用动态的、部分膜结合的状态。这种状态的特性，例如构象受限的环区域和靠近阴离子脂质头部基团的 C2 域的定位，“主要”Syt1 用于协同结合完整的金属离子和更深的膜插入。总之，我们的结果表明，在环内区域的部分金属离子饱和后，Syt1 采用动态的、部分膜结合的状态。这种状态的特性，例如构象受限的环区域和靠近阴离子脂质头部基团的 C2 域的定位，“主要”Syt1 用于协同结合完整的金属离子和更深的膜插入。