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南科大生物系魏志毅课题组揭示神经发育中关键酶分子的活性调控机制
2020年02月06日 新知 浏览量 :645 返回

近日,我校生物系副教授魏志毅课题组Nature Communications发文,阐释神经发育中重要磷酸酶LAR-RPTP的活性调控机制。

大脑的正常运转依赖于神经元细胞之间形成的无数连接来进行神经信号转导。要形成这些连接,神经元需要在生长发育过程中高度极化,体现在神经轴突的靶向生长以及与靶细胞所形成的高度特异化的突触连接。作为大脑发育中的核心进程,突触连接形成的缺陷可以引发多种精神疾病。突触连接的形成需要在突触前端及后端聚集大量的突触相关蛋白,包括各种支架蛋白、激酶、磷酸酶、受体、通道蛋白,在细胞膜上形成功能性膜区域来进行神经信号传递。其中有一些突触蛋白可以通过复杂的蛋白-蛋白相互作用和翻译后修饰调控突触的形成,调节神经信号的传导。

在这些突触蛋白中,LAR-RPTP是一种位于细胞膜表面的受体型酪氨酸磷酸酶。通过影响底物蛋白的酪氨酸磷酸化水平,LAR-RPTP直接参与调控神经元发育的多个进程,包括轴突生长和突触形成。因此,LAR-RPTP磷酸酶的活性在不同的发育阶段需要受到严格的调控。尽管针对受体型酪氨酸磷酸酶的研究已经有几十年,但对于LAR-RPTP磷酸酶活性的调节机制的理解却十分有限。一般认为来自细胞外部的配体分子能够通过结合LAR-RPTP磷酸酶来影响这一受体蛋白在细胞膜表面的分布状态。

图1  liprin-α3_SAM123和LAR-RPTP_D1D2复合体晶体结构及分析

是否分布状态的变化能够调控LAR-RPTP磷酸酶的活性,其分子机理如何?LAR-RPTP如何响应细胞内部的信号?为了回答以上问题,魏志毅课题组结合生物化学、结构生物学和细胞生物学的研究手段,以LAR-RPTP包含两个磷酸酶结构域的胞内区和突触形成中关键的胞内支架蛋白liprin-α为切入点。前期的遗传学和生理学实验已经证明liprin-α与LAR-RPTP复合物的形成直接影响突触的生长发育。课题组通过对复合物进行大量的生化性质鉴定和晶体学研究,成功解析了liprin-α与LAR-RPTP复合物的高分辨率晶体结构。复合物晶体结构中能清晰的看到两个蛋白的结合模式。突变关键的结合位点可以完全打破两者之间的相互作用。

课题组通过细胞生物学实验发现,在哺乳动物细胞系COS7细胞中同时过表达liprin-α和LAR-RPTP,可以改变LAR-RPTP在细胞膜上的分布状态,促进LAR-RPTP在细胞膜上形成集簇。这种受体蛋白的集簇化依赖于liprin-α和LAR-RPTP的相互作用。而liprin-α自身所具有的聚集能力能够强化LAR-RPTP的集簇化。这一发现显示liprin-α作为关键的突触形成调控因子,可能通过从细胞内结合LAR-RPTP来引发LAR-RPTP的集簇化。

图2  liprin-α 促进LAR在细胞中的聚集

课题组通过对复合体晶体结构的空间堆积进行分析,发现LAR-RPTP自身的D1磷酸酶结构域可以形成自聚集,从而提出了LAR-RPTP形成集簇的结构基础,并利用生化和细胞实验验证了这一全新的磷酸酶自聚集结构模型。经过进一步的结构分析,课题组发现,D1磷酸酶结构域的自聚集可以阻碍底物进入催化活性位点,显示LAR-RPTP的分布状态的改变可能影响其磷酸酶活性。通过一系列生化细胞实验,课题组进一步验证了LAR-RPTP的集簇化对于细胞内酪氨酸磷酸化水平的调控作用。

图3  LAR-RPTP的聚集干扰其磷酸酶活性

图4  liprin-α促进LAR-RPTP的聚集并下调酪氨酸磷酸酶活性示意图

这项研究成果从分子水平阐释了liprin-α和LAR-RPTP复合物的形成机制,揭示了LAR-RPTP磷酸酶活性受胞内作用因子liprin-α调控的机理,促进了对于轴突生长和突触形成中功能性膜区域的组装和调控机制的理解,同时也扩展了对于受体型酪氨酸磷酸酶多样化的活性调控模式的认识,为人们理解神经发育或者突触缺陷相关疾病的分子机制提供必要的帮助,为未来治疗这些疾病和找到新的治病靶点提供前期的基础研究依据。

魏志毅课题组合影(魏志毅:第二排右;谢兴巧:左二;罗玲:左一;梁明福:最后一排右)

我校前沿与交叉科学研究院研究助理教授谢兴巧是论文的第一作者,2018届硕士毕业生罗玲与研究助理梁明福等对论文做出了重要贡献。魏志毅为本论文的唯一通讯作者,南方科技大学为第一通讯单位。

本项研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委、深港脑科学创新研究院、上海光源、南方科技大学脑科学研究中心和南方科技大学分析测试中心的大力支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13949-x

 

供稿:生物系

编辑:刘馨

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