PNAS：王朝团队揭示神经细胞极性维持的分子结构机制

来源：BioArt

神经系统是人体中最重要的功能调控系统，作为神经系统的基本结构和功能单位，神经细胞是一类高度极化的细胞，典型的神经细胞由接收信号的树突、胞体和传递信号的轴突组成。不同的物质组成构成了树突、胞体、轴突不同的形态和各自独特的生理功能，从而维持神经细胞极性。神经细胞轴突起始段（axon initial segment,AIS）是神经细胞轴突近端靠近胞体的特定膜结构区域，富集了大量的电压门控钠离子通道（Nav channel）、电压门控钾离子通道（KCNQ2/3）、细胞粘附分子（Nfasc、NrCAM等）及多种支架蛋白和细胞骨架蛋白，是神经细胞整合胞体和树突的输入信号，调控和产生动作电位的重要位点【1,2】。神经支架蛋白Ankyrin-G作为AIS中最重要的蛋白质复合物组织者，是AIS的标志性蛋白。Ankyrin-G将多种离子通道，细胞粘附分子等锚定在细胞膜上，从而保证AIS的结构和功能的完整与稳定 【3】。同时，轴突起始段特殊的定位使Ankyrin-G也起到特异性的“守门员”的作用，通过选择性的调控进入轴突的蛋白和特定细胞器，从而维持神经细胞轴突-树突的极性【4-6】，然而，这一选择性调控物质进出轴突的分子基础目前还不是很清楚。

2019年12月30日，中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室、微尺度物质科学国家研究中心、生命科学学院王朝教授课题组在美国科学院院刊PNAS在线发表题为“Mechanistic insights into theinteractions of dynein regulator Ndel1 with neuronal ankyrins and implicationsin polarity maintenance”的研究论文 【7】，通过综合性运用生物化学、结构生物学、化学生物学及分子神经细胞生物学等研究手段，揭示了Ndel1/Ankyrin-G复合物在神经轴突起始段调控物质选择性进入轴突，从而维持神经细胞极性的分子机制，这是张明杰/王朝团队2018年在Nat Chem Biol杂志发表Ankyrin家族蛋白中鉴定调控细胞自噬短肽工作之后，围绕Ankyrin家族蛋白的系列研究成果 【8】。

Ndel1是细胞内重要分子马达Dynein复合物的调控蛋白，此前研究表明Ndel1在神经细胞发育分化的早期经历了一个从胞体内中心粒周围转移到了轴突起始段的重定位过程，这提示Ndel1可能与Ankyrin-G有直接的相互作用 【9】。在此研究中，王朝教授研究组通过体外生化实验确定了Ankyrin-G与Ndel1的直接相互作用，并利用ITC进行了定量的结合能力检测，通过系统性的比较两个蛋白间结合的解离常数，确定了两个蛋白能够结合的最小区域。

有趣的是，他们发现Ankyrin-G结合Ndel1是以一个1:2的比例来进行的，这也与Ndel1在体内以二聚体的形式来行使功能的现象相吻合。随后他们发现Ankyrin-G的同源蛋白Ankyrin-B也能以一个1:2的比例来结Ndel1，并解析了Ankyrin-B/Ndel1复合物的高分辨率晶体结构，阐述了Ankyrin-G/Ankyrin-B结合Ndel1的分子机理。紧接着他们在小鼠海马神经元中特异性敲除Ankyrin-G，发现Ndel1也失去了AIS的特异性定位，回补野生型Ankyrin-G后Ndel1又重新定位到AIS，这提示Ndel1特异性定位在AIS依赖于其与Ankyrin-G的相互作用。

最后，研究人员依据生化及结构信息设计了一段Ankyrin-G来源的特异性结合Ndel1的短肽，将此短肽作为打破内源性Ankyrin-G/Ndel1复合物的工具转入小鼠海马神经元中，发现其改变了原本定位在AIS的Ndel1的定位，并破坏了神经轴突物质的选择性运输进入：原本特异性定位在胞体和树突的蛋白则能通过AIS进入到轴突。这一发现表明Ndel1/Ankyrin-G复合物在神经轴突起始段可以选择性的阻止原本不属于轴突的货物进入轴突，从而维持神经细胞的极性。

据悉，中科大生命学院博士生叶进和华南理工大学医学院李健潮教授为该论文的共同第一作者，中科大生命学院王朝教授为论文的通讯作者。该项工作还得到了香港科技大学张明杰院士课题组及北京大学生命科学学院张研教授课题组的大力帮助。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/12/26/1916987117

参考文献

1. M. N.Rasband, The axon initial segment and the maintenance of neuronal polarity.Nat. Rev. Neurosci. 11, 552–562 (2010).

2. J. T.Kevenaar, C. C. Hoogenraad, The axonal cytoskeleton: From organization tofunction. Front. Mol. Neurosci. 8, 44 (2015).

3. K. L. Hedstrom, Y. Ogawa, M. N. Rasband,AnkyrinG is required for maintenance of the axon initial segment and neuronalpolarity. J. Cell Biol. 183, 635–640 (2008).

4. C. Nakada et al., Accumulation of anchored proteins formsmembrane diffusion barriers during neuronal polarization. Nat. Cell Biol. 5,626–632 (2003).

5. B.Winckler, P. Forscher, I. Mellman, A diffusion barrier maintains distributionof membrane proteins in polarized neurons. Nature 397, 698–701 (1999).

6. C. Leterrier et al., Nanoscalearchitecture of the axon initial segment reveals an or- ganized and robustscaffold. Cell Rep. 13, 2781–2793 (2015).

7. J. Ye, et al., Mechanisticinsights into the interactions of dynein regulator Ndel1 with neuronal ankyrinsand implications in polarity maintenance. PNAS (2019) 

8. J. Li, et al., Potent and specific Atg8-targetingautophagy inhibitory peptides from giant ankyrins. Nat Chem Biol. 14, 778-787 (2018).

9. M. Kuijpers et al., Dynein regulator NDEL1 controlspolarized cargo transport at the axon initial segment. Neuron 89, 461–471(2016).