Nat Comm | Plexin/配体结构并展示其激活机制

责编 | 酶美

Plexin家族蛋白是一种单次跨膜蛋白，由Plexin A (1-4), Plexin B (1-3), Plexin C1, Plexin D1四个亚家族组成，它们是神经引导分子（neuronal guidance molecule）Semaphorin的受体。区别于其它的单次跨膜受体，Plexin的胞内结构域有GAP活性（GTPase Activating Protein），能特异的催化Rap水解GTP, GDP结合的Rap导致细胞骨架重组，从而影响和细胞骨架相关的一些生理过程，比如轴突生长椎萎陷（growth cone collapse）, 血管发生和细胞迁移。Plexin C1在树突细胞中高表达，在免疫系统发挥重要作用。A39R是一些牛痘病毒分泌的具有调节宿主免疫功能的蛋白，Plexin C1是其受体。

近日，西南医学中心的张学武博士和白晓晨博士课题组在Nature Communication发表了题为Cryo-EM structure of the PlexinC1/A39R complex reveals inter-domain interactions critical for ligand-induced activation（郭议骏博士，陈华博士和尚桂军博士是共同第一作者）。他们研究发表了全长PlexinC1和其配体A39R的电镜结构，揭示了配体A39R激活Plexin C1受体的分子机制。他们发现A39R和Plexin C1结合后，诱导Plexin C1的胞外段形成二聚体，进而激活其胞内结构域。他们也发现Plexin C1胞外结构域由于分子间的相互作用，形成一种环状结构，有助于全长Plexin C1的激活。

他们在GnTI-细胞中用昆虫病毒表达系统表达了全长的Plexin C1, Plexin C1的纯化使用了实验室开发的Tsi/Tse纯化系统，而配体A39R在Expi293F细胞中表达。全长Plexin C1用DDM（n-dodecyl-B-d-maltopyranoside）和CHS （cholesteryl hemisuccinate tris salt）纯化。由于Plexin C1是单次跨膜蛋白，本课题的难点是如何用去垢剂替换脂类，进而稳定Plexin C1/A39R复合物。他们试验了不同的方法，最后发现具有两亲性质的37个氨基酸的peptidisc能稳定Plexin C1/A39R复合物。通过电镜采集数据，得到了2.9埃分辨率的复合物结构。他们的结构分析表明A39R二聚体同时结合两个Plexin C1，形成四元复合物。Plexin C1的胞外段包括不同的结构域：SEMA结构域，PSI(1-2)结构域, IPT(1-4)结构域，IPT4是靠近细胞膜的一个结构域。他们发现SEMA结构域和IPT2/3结构域形成分子内的相互作用，使得两个IPT4结构域相互靠近，有利于单次跨膜区间相互接近，进而诱导胞内段形成二聚体。

为了检测野生型和突变型Plexin C1的活性，他们建立了稳定表达各种Plexin C1的COS7细胞系。A39R的刺激导致细胞萎陷（cell collapse），从而间接地检测Plexin C1的活性。他们在SEMA和IPT相互作用的区域做了一些突变，这些突变都能影响 Plexin C1的活性。这说明SEMA 结构域和IPT结构域的相互作用对全长Plexin C1的激活非常关键。IPT4结构域上最后一个氨基酸到第一个跨膜的氨基酸之间有9个氨基酸，他们发现截掉4个氨基酸后，虽然蛋白能表达到膜上，但是Plexin C1的活性大大降低。如果增加四个氨基酸，仍然具有比较高的GAP活性，虽然比野生型活性低。这表明最后一个结构域IPT4的相对位置对于Plexin C1的激活也非常关键。

这项研究的重要意义之一是揭示A39R激活全长Plexin C1的分子机理。A39R诱导Plexin C1胞外段形成二聚体。Plexin C1胞外的七个结构域，通过分子间的相互作用形成一种环状的结构，使得SEMA结构域和临近细胞膜的IPT结构域靠近，有助于Plexin C1 胞内段形成二聚体，进而激活Plexin C1的GAP活性。Plexin家族蛋白都有相似的结构域组成，这暗示它们可能通过相同的机制激活GAP活性，在不同的生理过程中起作用。单次跨膜受体形成同源二聚体是激活酪氨酸激酶受体的一种普遍机制，这项研究为这个理论提供了新的例证。不同于酪氨酸激酶受体，Plexin受体的激活并不依赖磷酸化修饰，胞外段二聚化如何导通过单次跨莫结构域导致胞内结构域的二聚化将是一个非常有意义的课题。Plexin C1是单次跨膜受体，他们使用peptidisc稳定跨膜区域，解析了完整的胞外段的结构，首次证明了peptidisc能够稳定单次跨膜结构域，在方法学上具有重要的意义。

张学武博士课题组长期致力于Plexin信号通路的结构生物学研究，通过一系列巧妙的试验设计，系统的揭示了Plexin信号通路激活和传导的分子机制。早在2009年，他的课题组首先报道了人源Plexin A3胞内段的晶体结构。蛋白质一级序列分析表明plexin胞内段和GAP 结构域有很高的相似性，但是中间插入了一个RBD结构域（Rho GTPase-binding domain），Plexin A3的晶体结构表明被RBD分开的两部分在三级结构上形成一个完整的，具有GAP活性的结构域。通过建立体外测定GAP活性系统，他的课题组首次报道了Rap是Plexin的底物，解决了长期困扰Plexin领域的底物之争。通过在靠近细胞膜区域融合能形成二聚体的coiled-coil和Sortase介导的Plexin和Rap藕联，他的课题组首次用结构生物学的方法证明了Plexin的胞内段通过形成二聚体，诱导胞内段构象变化，从而激活GAP活性，并揭示了Plexin催化Rap水解GTP的分子机制。

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15862-0.pdf

制版人：Kira