甘露糖受体家族蛋白的结构生物学研究

Cell surface receptors mediate the interactions between cell and the environment, which is critical for maintaining the regular physiological functions of organisms. Mannose receptor family members are expressed by many cell types and involved in various biological pathways, especially in the immune system. Current known members of this family include mannose receptor, DEC205, FcRY, Endo180 and PLA2R. Mannose receptor and DEC205 are expressed by immune cells such as marcophages and dendritic cells and can activate or suppress immunity by recognizing different antigens. FcRY and Endo180 are endocytotic receptors for antibody and collagen, respectively. PLA2R plays an important role in regulating the activity of PLA2 . Although a large amount of research has been published about mannose receptor family members, structural details of this family remain unknown. Based on our previous research, we propose to use three-dimensional electron microscopic reconstruction and X-ray crystallography in combination with molecular and cellular techniques to investigate the structures of this receptor family, thereby understanding the molecular mechanisms of receptor-ligand recognition, transport and regulation.

细胞表面受体是细胞与周围环境进行信息与物质交流的媒介，对维持正常的生理功能有着不可替代的作用。甘露糖受体家族是一类分布很广的细胞表面受体，参与多个生物学路径，尤其在免疫识别调控中起着非常重要的作用。目前已知的该家族成员包括: 甘露糖受体, DEC205, FcRY, Endo180, 磷脂酶A2受体等。其中，甘露糖受体和DEC205主要分布在巨噬细胞及树突状细胞表面，识别相应的配体并调控免疫应答。FcRY和Endo180分别是抗体和胶原蛋白的内吞转运受体。磷脂酶A2受体则参与对磷脂酶的调控。迄今为止该家族成员还没有较高分辨率的结构模型，结构信息的缺乏极大地限制了对该家族功能的深入理解。本项目拟在已有的研究基础上，运用包括电子显微镜三维重构在内的多种结构生物学技术，以及分子和细胞生物学手段，系统性地研究该受体家族蛋白的三维结构以及受体与配体的相互作用，从而揭示其识别和转运调控的分子机制。

本课题在执行期间，根据项目申请书中的研究内容，针对甘露糖受体家族成员开展了相应的结构表征，其中包括晶体学和电镜三维结构研究。各项研究内容均取得了相应的进展和预期成果，完成了项目申请书中的研究计划。其中重要的成果是有关DEC205（CD205）的结构与功能研究。DEC205是树突状细胞的主要标志物和胞吞受体之一，并被广泛用于免疫疗法中。但该受体的结构和生理功能并不十分清楚，自1995年被发现以来，其天然配体一直未被找到。我们首先利用冷冻电镜三维重构获得了DEC205的胞外段的三维结构，发现该分子在酸性条件和碱性条件呈现不同的构象。进一步的实验表明，DEC205在酸性和碱性条件下的构象变化与其功能直接相关。DEC205仅在酸性条件下识别凋亡和坏死细胞，而对于正常细胞而言，DEC205无论在酸性还是碱性条件下都不会识别。这表明DEC205是一个在酸性环境中特异性识别凋亡坏死细胞的免疫受体。因此这一结果意味着一条新的凋亡细胞识别清理通路，该结果已在国际学术期刊PNAS（2015）上发表。接下来我们在这一结果的基础上，通过一系列的生物化学和生物物理学实验，寻找人源DEC205在细胞上的配体。结果发现，角蛋白（keratins）是DEC205的内源性配体。人源DEC205分子可以在酸性条件下通过其N端结构域特异性识别角蛋白的C端结构域。角蛋白是细胞骨架的重要组成部分，可以形成中间丝参与维持细胞的形态和力学特性，但角蛋白的其它生理学角色并不十分清楚。这项工作表明，DEC205是一个角蛋白受体，而角蛋白也可以作为细胞死亡的标志物被免疫系统识别，并介导一条依赖酸碱性的死亡细胞识别清理通路。由于角蛋白已被用于多种肿瘤的临床诊断。因此，DEC205作为角蛋白受体这一发现也为肿瘤及相关疾病的诊疗提供了新思路。这一研究结果已在国际学术期刊PNAS（2016）发表。除此以外，其它研究内容也取得了一定的成果，并正在整理之中，为今后进一步的深入研究打下了良好的基础。