唐氏综合症黏附分子及相关蛋白的结构生物学研究

Down syndrome adhesion molecule ( Dscam) and related proteins are multi-domain cell surface molecules involved in many biological pathways, especially neuronal development and growth, and also associated with many diseases.The multi-domain structure of Dscam and related proteins suggests the complexity of their structures and functions, which also make the structural studies difficult. Current data show that these proteins can have intriguing conformations to regulate the recogniztion of ligands and signal transduction. However,due to the technical limitation, the molecular mechanism of Dscam and related molecules are largely unknown. Here, we plan to investigated the high resolution structures of these proteins, and also the conformation of these molecules on the surface of membrane, both in vitro and in vivo,by combining X-ray crystallography and 3D reconstruction of electron microscopy, thereby elucidating the mechanisms of these molecules in neuronal development,cell growth and migration.

唐氏综合症黏附分子（Dscam）及相关蛋白是一大类具有多个结构域 的细胞表面受体分子，广泛参与多个生物学路径，尤其在神经发育、生长及网络形成等方面起着重要作用，同时也与包括唐氏综合症在内的多种疾病有着直接的关系。Dscam及相关蛋白的膜外结构域通常都在十个以上，提示了其结构和功能的复杂性，同时也给结构研究带来了较大的困难。目前的研究结果表明，这些结构域可以形成复杂的构象，在配体识别和信号传递方面起着关键作用。但由于技术手段等方面的限制，与此相关的分子机制还知之甚少。本申请的目标，就是在已有的工作基础上，运用多种结构和分子生物学方法，尤其是通过结合蛋白质结晶学和电镜三维重构技术，获得Dscam及相关蛋白和复合物的高分辨三维结构，以及它们在脂膜上和体内的原位（或接近原位）结构信息，阐释其在神经发育、细胞生长与迁移过程中的分子机制。

细胞粘附分子广泛参与细胞的生长迁移、组织发育、器官形成等生理过程，尤其在神经网络的形成和可塑性调控中扮演重要角色。但由于技术手段的限制，无法直接获得其介导的细胞粘附界面的结构信息，因而这些分子在细胞界面的排列组织方式以及调控机制还不清楚，这也是研究细胞粘附以及细胞相互作用的主要难点。Sdk 分子（包括Sdk1和Sdk2）和DSCAM分子均在视网膜发育中起重要作用。Sdk 分子属于IgSF家族，可通过形成同源二聚体介导细胞粘附，并在运动感知方面有着重要作用。该分子具有很长的胞外段，包括6个Ig-like结构域和13个Fibronectin III（FnIII）结构域。研究中我们通过电镜观察显示该分子的胞外段具有很强的柔性，并通过N端Ig-like结构域形成同源二聚体。课题组首先解析了N端二聚体片段的晶体结构，获得了二聚体界面的结构信息。然后利用荧光显微镜、高压冷冻、光电联合、超薄切片、电子断层成像以及生化和分子生物学等多种手段，研究了其在细胞界面的组装模式，获得了细胞粘附界面的原位结构模型。结果发现，虽然该分子胞外段很长，但其介导的细胞界面却非常紧凑，并具有较为均匀的间距分布。其中Ig-like结构域主要负责形成细胞间的反式连接，而FnIII结构域则通过与细胞膜的相互作用起到了稳定细胞界面的作用，从而阐释了不同结构域在形成细胞界面时的结构和功能角色以及可能的调控机制。由于已发现的IgSF粘附分子数量众多，其结构域组成也有不少相似之处。因此，这项工作建立的细胞粘附模型对理解IgSF家族分子介导的细胞相互作用模式具有普遍意义，尤其为研究细胞粘附在调控神经网络的特异性和可塑性方面提供了直接的结构生物学模型(PNAS, 2018)。同时，课题组还通过方法学上的改进和优化，并结合电镜、光镜、以及生化和细胞生物学方法，建立了一套针对细胞表面受体的原位结构研究体系，为受体的原位结构研究提供了工具（2018）。