科研成果: “Structure of the heterophilic interaction between the nectin-like 4 and nectin-like 1 molecules”

发布时间:2019-05-24

导读:彭小忠课题组于2019年2月在Proc Natl Acad Sci U S A 杂志发表研究论文“Structure of the heterophilic interaction between the nectin-like 4 and nectin-like 1 molecules”。文章通过对神经发育相关细胞粘附分子Necl4以及Necl4-Necl1复合物的晶体结构进行解析,阐明了细胞粘附分子同源与异源相互作用的机制。?

文章链接:https://www.pnas.org/content/116/6/2068.long.?


? ? ? 细胞粘附分子可以通过同一细胞上的顺式相互作用及细胞与细胞间反式相互作用,介导细胞-细胞间的接触,在多器官生物的发育过程及多种与细胞粘附过程紊乱相关的疾病进程中发挥重要作用。突触粘附分子Nectin-like 4 (Necl4)是Ca2+非依赖性的免疫球蛋白样细胞粘附分子,属于Necl家族成员。该家族由Necl 1-5等五个成员组成(其中Necl-1为该课题组于1999年克隆得到,并提交Genbank数据库)。Necl家族成员间的同源、异源相互作用,在突触形成、轴突导向、髓鞘化、空间学习及记忆、阿尔兹海默症、自闭症、病毒感染等诸多生物学进程中发挥重要作用,其蛋白结构的解析对理解这些分子在生理及病理过程中的作用极为重要。?

? ? ? 彭小忠课题组前期与Louisville大学邱猛生教授合作发现Necl1能参与到神经发育过程中的髓鞘化过程(J Neurosci 28, 12815-12819),之后有研究表明胶质细胞表达Necl4和神经元轴突上的Necl1通过异源相互作用来调控神经系统髓鞘化过程。但是Necl家族成员间相互作用的特征尚未完全揭示,比如Necl1被证实能同源相互作用形成同源二聚体,但Necl4能否形成同源二聚体目前尚有争议。而其中的结构基础更是鲜为人知,特别是Necl4由于复杂的糖基化修饰和柔性的线性分子特征,胞外段蛋白结晶及晶体结构的解析尚未见任何报道。?

? ? ? 本研究通过生物化学和结构生物学证实了Necl1能形成同源二聚体,但Necl4不能形成同源二聚体,同时Necl4- Necl1的异源相互作用强于Necl1- Necl1的同源相互作用。当mNecl1存在时,mNecl4的F-G-loop可参与其由结合力较弱的单体形式向较强的异源二聚体形式的诱导转变(如图)。?

? ? ? 随后,研究者以结构数据为基础,并通过原代DRG神经元与施旺细胞中Fc蛋白结合实验,证实了mNecl4胞外段与mNecl1胞外段在细胞上的异源相互作用的关键作用位点:mNecl4的F66、A71、Y107及mNecl1的F70、A75、F111是参与二者相互作用的关键氨基酸位点,明确了mNecl4与mNecl1异源相互作用在DRG神经元与施旺细胞中接触过程中的分子基础。?

? ? ? 该研究扩充了Necl家族成员间异源复合物晶体结构信息,以鼠源Necl4及Necl1为例,提出了Necl家族间通过分子间相互作用形成二聚物的结构模型,解释了某些细胞粘附分子不能形成同源二聚物的原因,为进一步在结构基础上阐明Ig样免疫球蛋白超家族成员如何参与特异性的细胞粘附过程提供了证据,加深了人们对于突触粘附分子参与神经生物学重要事件的理解。?

【摘要】Nectin-like (Necl) molecules are Ca2+-independent Ig-like transmembrane cell adhesion molecules that participate in junctions between different cell types. The specific cell–cell adhesions mediated by Necl proteins are important in neural development and have been implicated in neurodegenerative diseases. Here, we present the crystal structure of the mouse Necl-4 full ectodomain and the structure of the heterophilic Necl ectodomain complex formed by the mNecl-4 and mNecl-1 ectodomains. We demonstrate that, while the ectodomain of mNecl-4 is monomeric, it forms a stable heterodimer with Ig1 of mNecl-1, with an affinity significantly higher than that observed for self-dimerization of the mNecl-1 ectodomain. We validated our structural characterizations by performing a surface plasmon resonance assay and an Fc fusion protein binding assay in mouse primary dorsal root ganglia neurites and Schwann cells and identified a selection of residues important for heterophilic interactions. Finally, we proposed a model of Necl binding specificity that involves an induced-fit conformational change at the dimerization interface.?

? ? ? ?医学分子生物学国家重点实验室彭小忠研究员、舒鹏程助理研究员和医科院病原所崔胜研究员为本研究并列通讯作者,彭小忠实验室博士后刘枭和博士生安泰(2013级毕业生)为并列第一作者。该研究得中国医学科学院医学与健康科技创新工程,国家自然科学基金和国家科技重大专项的资助。