对神经细胞轴突起始段中支架蛋白Ankyrin-G介导的蛋白复合物的结构与功能研究

Ankyrins are a family of very large scaffold proteins that play essential roles in connecting diverse membrane proteins including ion channels, transports, and cell adhesion molecules to the underlying cytoskeletons through binding to spectrins, thus organize specific membrane micro-domains in diverse tissues including neurons. Ankyrin-G, one of the three Ankyrin family members, is a leading risk factor protein in many types of psychiatric disorders, including bipolar disorder, autism, and schizophrenia. However, the biological functions of Ankyrin-G-mediated protein complex and its specific localization at axon initial segment of neurons are still largely unknown. In this research proposal, we plan to systematically study the three following parts using biochemical, structural and cell biology methods: structural and functional characterization of Ankyrin-G/GABARAP complex; molecular details of Ankyrin-G/GABARAP/GABA-A receptor protein complex; functional roles of Ankyrin-G/GABARAP complex in stabilizing GABA-A receptors at axon initial segment in cultured hippocampal neurons. The outcomes of the research are expected to be valuable to understand the structural and functional mechanisms of Ankyrin-G-mediated protein complex in organizing axon initial segment and regulating the balance of neural circuits, and provide insights into the molecular mechanisms of the related human diseases.

Ankyrin家族蛋白是一类非常大的支架蛋白，它可以将多种跨膜蛋白连结到以血影蛋白为基础的细胞骨架蛋白上，从而在神经元等组织细胞中构建特定的细胞膜微结构域。Ankyrin-G蛋白的突变与多种人类精神系统紊乱疾病的发生密切相关。然而，Ankyrin-G介导的蛋白复合物和其特异性地富集在神经细胞轴突起始段的生物学功能还大部分未知。本项目计划采用生物化学、结构生物学及细胞生物学的方法系统性地进行以下三方面的研究: Ankyrin-G/GABARAP二元复合物的结构和功能；Ankyrin-G/GABARAP/GABA-A型受体蛋白复合物间的相互作用关系；神经细胞中Ankyrin-G/GABARAP复合物对GABA-A型受体的膜定位的功能研究。研究成果将为深入理解Ankyrin-G介导的蛋白复合物在组织轴突起始段和调控神经环路平衡方面提供分子机制，并为理解相应的人类疾病的发病机理及治疗提供理论基础。

Ankyrin家族蛋白是一类非常大的支架蛋白，它可以将多种跨膜蛋白连结到以血影蛋白为基础的细胞骨架蛋白上，从而在神经元等组织细胞中构建特定的细胞膜微结构域。Ankyrin-G蛋白的突变与多种人类精神系统紊乱疾病的发生密切相关。然而，Ankyrin-G介导的蛋白复合物和其特异性地富集在神经细胞轴突起始段的生物学功能还大部分未知。本项目采用了生物化学、结构生物学、细胞生物学、神经电生理及化学生物学等多种研究手段，对Ankyrin-G蛋白介导的多个复合物在神经细胞轴突起始段维持轴突极性功能，调控神经受体转运及信号转导等方面进行了系统的研究，取得的主要研究成果包括：1）解析了神经细胞极性调控蛋白复合物Ankyrin-G/Ndel1的作用界面，利用干扰性多肽分子及小鼠海马神经元转染等手段揭示Ankyrin-G/Ndel1复合物通过选择性运输调控神经极性的分子机制；2）首次解析GABARAP-GABAA受体蛋白复合物晶体结构，从生化、分子、结构及电生理等多个层面阐释了GABARAP调控GABAA受体转运上膜及神经突触信号转导的分子机制；3）发现并解析了Ankyrin-Atg8家族蛋白的多个作用界面及相互作用机制，在此基础上设计了多种膜通透性靶向抑制性多肽，为细胞自噬及神经细胞极性研究提供了新颖的研究工具；4）发现在两极性躁郁症病人中存在Ankyrin-G W1989R 突变，导致Ankyrin-G 与GABARAP 结合受限，影响了GABA 受体的正常定位和相应电生理功能，从而引起疾病的发生。研究成果为深入理解Ankyrin-G介导的蛋白复合物在组织轴突起始段和调控神经环路平衡方面提供分子机制，并为理解相应的人类疾病的发病机理及治疗提供理论基础。项目执行期间，已发表标注资助号的高水平SCI论文6篇，其中包括以通讯作者在Nature Chemical Biology、Nature Communications、PNAS(两篇)和Biochem J上发表的论文，超额完成了相应的研究任务；毕业2名硕士研究生，毕业1名博士研究生。如上所述，我们按照计划，圆满地完成项目的研究目标。