SALM3の二量体化とPTPσによるシナプス接着複合体形成の構造基盤

Structural basis of SALM3 dimerization and synaptic adhesion complex formation with PTPσ.

• Sudeep Karki
• Alexander V Shkumatov
• Sungwon Bae
• Hyeonho Kim
• Jaewon Ko
• Tommi Kajander

抄録

シナプス接着分子は、神経細胞の接続性の形成、維持、洗練に重要な役割を果たしています。近年、ロイシンリッチリピート(LRR)ドメインを含むいくつかの神経細胞接着分子の特徴が明らかにされており、その中にはネットリンGリガンド、SLITRK、シナプス接着様分子(SALM)などが含まれています。これらの接着分子の制御異常は、遺伝的にも機能的にも様々な神経疾患と関連している。ここでは、シナプス後のSALM3接着タンパク質とシナプス前リガンドである受容体タンパク質チロシンホスファターゼσ(PTPσ)とのリガンド相互作用の分子構造とメカニズムを調べました。我々は、SALM3のLRRドメインの二量体化結晶構造を解析し、保存された構造的特徴と二量体化のメカニズムを明らかにした。さらに、小角X線散乱法を用いてSALM3とPTPσとの複合体構造を決定し、SALM5と同様の2:2複合体を明らかにした。溶液を用いた研究により、SALM3とSALM5がシナプス形成を促進するために一様に作用していることが明らかになりました。鍵となる界面残基の関連性は、細胞結合アッセイと人工シナプス形成アッセイを用いた変異解析によってさらに確認された。これらの結果は、SALM3の二量体化がSALM3-PTPσ複合体がシナプス形成活性を発揮するための必須条件であることを示唆している。

Synaptic adhesion molecules play an important role in the formation, maintenance and refinement of neuronal connectivity. Recently, several leucine rich repeat (LRR) domain containing neuronal adhesion molecules have been characterized including netrin G-ligands, SLITRKs and the synaptic adhesion-like molecules (SALMs). Dysregulation of these adhesion molecules have been genetically and functionally linked to various neurological disorders. Here we investigated the molecular structure and mechanism of ligand interactions for the postsynaptic SALM3 adhesion protein with its presynaptic ligand, receptor protein tyrosine phosphatase σ (PTPσ). We solved the crystal structure of the dimerized LRR domain of SALM3, revealing the conserved structural features and mechanism of dimerization. Furthermore, we determined the complex structure of SALM3 with PTPσ using small angle X-ray scattering, revealing a 2:2 complex similar to that observed for SALM5. Solution studies unraveled additional flexibility for the complex structure, but validated the uniform mode of action for SALM3 and SALM5 to promote synapse formation. The relevance of the key interface residues was further confirmed by mutational analysis with cellular binding assays and artificial synapse formation assays. Collectively, our results suggest that SALM3 dimerization is a pre-requisite for the SALM3-PTPσ complex to exert synaptogenic activity.