Liprin-α介导的神经突触形成中活性区组装机制的研究

Numerous neurons connect each other via forming synapses during brain development. Synaptogenesis or synapse formation is required for normal brain functions and defects in synaptogensis may lead to several sever neurological disorders. Although been studied for decades, synaptogenesis is still main focus in neuroscience. Presynaptic active zone is the site for neurotransmitter release and proper assembly of active zone is key for synapse maturation. As a master coordinator in active zone, liprin-α effectively recruit and assemble various functional synaptic protein into active zone. To address the molecular basis underlining the liprin-α mediated active zone assembly, we propose to study the interactions between liprin-α and its two targets (receptor type protein tyrosine phosphatase LAR and presynaptic scaffold GIT1) via structural biology and biochemistry. Our proposal will not only further uncover the organization and regulation roles of liprin-α in synaptogenesis, but also shed lights on assembly mechanisms of protein machinery in active zone.

突触形成是神经元相互连接乃至大脑发育中的核心进程，突触形成缺陷会导致多种精神疾病。对突触形成的研究是神经科学研究的重点。活性区是突触前神经递质释放位点，它的正确组装是突触成熟的关键。作为活性区的核心蛋白，liprin-α是近期突触形成进程的研究热点。通过与众多突触蛋白相互作用，liprin-α有效地整合活性区功能性蛋白，完成活性区的组装。为了揭示liprin-α介导的活性区组装的分子基础，本项目将对liprin-α与其目标蛋白（受体型磷酸酶LAR和突触支架蛋白GIT1）之间的相互作用关系进行结构生物学和生物化学研究。本项目的研究成果将进一步阐释liprin-α在突触形成中所发挥的核心组织和调控作用；并为今后研究活性区中相关蛋白质分子机器的组装机理奠定基础。

大脑发育中神经元细胞通过突触来相互连接，进行神经信号传递。一旦突触的发育过程出现缺陷，能够引发一系列精神疾病。作为突触形成过程中的核心蛋白，liprin-α通过多种相互作用来招募众多突触蛋白来进行突触前活性区的组装，来促进突触连接的形成。本项目通过结合生物化学、结构生物学和细胞生物学的方法，研究liprin-α与不同目标蛋白之间的相互作用关系，深入揭示了liprin-α介导的活性区组装的分子基础和调控机制。在项目实施的四年中，我们成功解析了liprin-α与受体型磷酸酶LAR复合物的高分辨率晶体结构，在结构分析的基础上提出了liprin-α促进LAR在细胞膜表面的集簇化机制，并利用生化和细胞实验进行了验证。我们还进一步发现liprin-α在促进LAR集簇化后，可以降低LAR的磷酸酶活性，引起LAR的底物蛋白磷酸化水平的上升。结合以上结果，我们首次提出了liprin-α如何通过与LAR相互作用来调控细胞膜附近蛋白的磷酸化水平，从而控制神经元细胞的生长和突触的形成。同时，我们也成功解析了liprin-α和突触支架蛋白GIT1的复合物结构。通过与Paxillin和GIT1的复合物结构进行比较，我们发现liprin-α和Paxillin都结合在GIT1的同一个蛋白表面，但两者的结合方式却并不相同。通过设计特定的GIT1突变来特异性地破坏GIT1与liprin-α或GIT1与Paxillin之间的结合，我们进行了一系列细胞生物学实验来鉴定不同的突变体对于细胞的不同影响，从而指出liprin-α和Paxillin与GIT1结合在细胞黏附中发挥不同的作用。以上研究工作将进一步推动我们深入了解活性区相关蛋白质的相互作用在突触形成中的生理意义，并为我们下一步系统性地研究活性区蛋白质分子机器的组装机理奠定基础。