北京大学两研究组合作Neuron解析神经生长导航

　　

2014年8月7日，北京大学生命科学学院王家槐、张研课题组联合欧洲分子生物学实验室（EMBL）Meijers课题组在国际知名期刊Neuron上在线发表题为“The crystal structure of netrin-1 in complex with DCC reveals the bi-functionality of netrin-1 as a guidance cue”的论文，该项研究首次揭示了Netrin-1与其受体结合的三维结构，并以此阐释了神经元发育过程中导航问题的机理。

　　人类大脑的“网络”是由一组神经纤维从一个神经元连到另一个神经元，就好像伸出去的好多胳臂。在神经元之间建立连接的过程中（发生在大脑的发育及人的整个一生中），每个神经纤维，或称之为轴突，从一个神经元延伸出去，一直到达其目的地，即那个要与之相连接的神经元。为了选择正确的延伸途径，生长中的轴突必须感受并与沿途相遇的不同分子发生作用。其中一个重要的分子就是那个有趣而又令人困惑的Netrin-1：轴突既可以被它吸引，又可被它排斥。轴突的这种行为是由位于它生长端表面的两个受体分子决定的：DCC分子驱动吸引，而UNC5分子驱动排斥。

Netrin-1与DCC和UNC5结合示意图

　　“Netrin-1是如何在分子水平上起作用的，一直是神经科学领域内的一个谜。”领导北京大学和哈佛医学院小组的王家槐如是说，“我们现在提供了结构证据，给出了这个重要的导航信号分子是如何作用的一个全新的机理。我们的结构表明，Netrin-1不只是结合一个DCC分子，而是结合两个DCC分子。最令人惊奇的是，它以两种不同的方式结合DCC分子。”

　　“通常一个受体与其信号分子的作用就像锁和钥匙的关系。在进化过程中，它们的相互作用是很专一的。我们看到的一个Netrin-1位点也正是这样的，”领导EMBL小组的Rob Meijers解释道，“但是它的第二个位点却非常特殊，它并非只是对DCC专一。”

　　Netrin-1的第二个位点并不直接结合受体。它需要有小分子作为“中间人”。这些作为“中间人”的介导分子似乎更有利于UNC5的结合。所以如果轴突既有UNC5，又有DCC的话，Netrin-1会借助那“中间人”结合UNC5在第二个位点，而与DCC结合在DCC专一的位点。这将在细胞内引起一系列反应，最终把轴突引开产生Netrin-1的地方。北京大学的张研课题组用实验证明了这一点。研究人员推测，如果轴突表面只有DCC受体的话，每个Netrin-1分子就结合两个DCC，其结果将是把轴突引向产生Netrin-1的地方。张研说：“因此，靠控制轴突生长端表面UNC5的有无，轴突可以在移离或移向Netrin-1来源地之间变更，从而使大脑得以建立正确的网络。”

　　了解了神经元如何在被Netrin-1吸引或排斥之间变换，给我们打开了一个大门，使我们得以在其它细胞中激活这个开关来应答Netrin-1。譬如许多癌细胞产生Netrin来吸引生长中的血管，从而获得营养，促进肿瘤生长。如果关掉这个吸引因子，将可使肿瘤饥饿, 至少可使之不再生长。另一方面，当癌症转移时，它们常常不再对Netrin有反应。实际上，DCC受体就是作为恶性直肠癌的标记被发现的。英文DCC的意思就是“消失在直肠癌”。由于直肠癌细胞没有DCC，它们就不会与Netrin作用，不会进入细胞凋亡通路，也就不会像通常那样从肠壁脱落。其结果是，这些癌细胞继续进入血流，转移癌细胞到其它组织。

　　导航问题是一个非常复杂的细胞生物学问题。王家槐、Meijers及张研课题组目前正在进一步研究其它受体是如何结合Netrin-1的，那些中间介导分子又是如何选择性结合倾向性的受体的，其它导航分子是如何结合DCC的，这个系统又是如何调节的，等等。王家槐说：“希望有一天这些研究结果可以使研究人员驾驭细胞对Netrin和其它导航分子的反应，并最终改变其命运。”

　　这个国际合作课题由王家槐和Meijers共同启动，王家槐、张研和Meijers课题组共同完成。王家槐的博士后Lorenzo Finci是文章的第一作者，北京大学是第一作者单位。该项研究得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）以及北大清华生命联合中心基金的支持。

原文摘要：

The crystal structure of netrin-1 in complex with DCC reveals the bi-functionality of netrin-1 as a guidance cue

Netrin-1 is a guidance cue that can trigger either attraction or repulsion effects on migrating axons of neurons, depending on the repertoire of receptors available on the growth cone. How a single chemotropic molecule can act in such contradictory ways has long been a puzzle at the molecular level. Here we present the crystal structure of netrin-1 in complex with the Deleted in Colorectal Cancer (DCC) receptor. We show that one netrin-1 molecule can simultaneously bind to two DCC molecules through a DCC-specific site and through a unique generic receptor binding site, where sulfate ions staple together positively charged patches on both DCC and netrin-1. Furthermore, we demonstrate that UNC5A can replace DCC on the generic receptor binding site to switch the response from attraction to repulsion. We propose that the modularity of binding allows for the association of other netrin receptors at the generic binding site, eliciting alternative turning responses.