在大腦發(fā)育期間，數(shù)十億神經(jīng)元神經(jīng)細(xì)胞必須在大腦中找到準(zhǔn)確的通路，以形成數(shù)萬億的神經(jīng)元回路，從而實現(xiàn)認(rèn)知，感官和情緒健康。為了達(dá)到這種非凡的精確度，遷移神經(jīng)元使用特殊的蛋白質(zhì)受體來感知它們周圍的環(huán)境并指導(dǎo)方式，使這些神經(jīng)元及其長的延伸保持在正確的路徑上并避免錯誤的轉(zhuǎn)彎。這些神經(jīng)元指導(dǎo)蛋白中的罕見缺陷可導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，例如共濟(jì)失調(diào)和癲癇。

在Cell發(fā)表的一項新研究中，Bar-Ilan大學(xué)的研究人員和合作者報告了他們發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜分子機(jī)制，該機(jī)制允許指導(dǎo)受體Robo對其環(huán)境中的信號做出反應(yīng)，同時避免可能導(dǎo)致有害結(jié)果的過早活動。

控制神經(jīng)元指導(dǎo)的最重要的蛋白質(zhì)信號系統(tǒng)之一由細(xì)胞表面受體Robo及其同源外部指導(dǎo)提示Slit組成。這些蛋白質(zhì)中的任何一種的缺乏都會導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能的缺陷。例如，他們的缺席損害了大腦在胼call體上形成正確連接的能力，胼call體是兩個大腦半球的神經(jīng)元延伸穿過身體的兩側(cè)支配神經(jīng)元的區(qū)域，這是雙側(cè)生物的基本屬性。

“Slit和Robo在整個進(jìn)化過程中都是高度保守的，幾乎可以在所有具有神經(jīng)系統(tǒng)的動物身上識別，從長達(dá)1毫米的線蟲一直到人類，這一點突出了它們的重要性，”Yarden Opatowsky教授解釋道。米蘭的結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗室主任和以色列Bar-Ilan大學(xué)的Everard Goodman生命科學(xué)學(xué)院。

使用X射線晶體學(xué)，Opatowsky，研究生Reut Barak及其同事和合作者確定了Robo的幾種原子結(jié)構(gòu)。“我們用了六年的時間才得到了理想的結(jié)構(gòu)，但這只是我們研究的第一階段，”Opatowsky說。這些結(jié)構(gòu)很好地表明了兩個Robo受體如何形成二聚體以及它們的二聚化界面如何被阻斷。“這導(dǎo)致實驗室經(jīng)理Julia Guez-Haddad博士和研究生Galit Yom-Tov開始進(jìn)行一系列生化和功能實驗。結(jié)構(gòu)驅(qū)動的假設(shè)。

Robo激活的綜合模型

自從二十年前發(fā)現(xiàn)它們以來，在理解Slit-Robo功能及其在大腦以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)外引發(fā)的發(fā)育反應(yīng)方面取得了很多進(jìn)展。然而，科學(xué)家們對Slit如何激活Robo以及在沒有Slit的情況下Robo的激活方式仍有不完全的理解。

繼新的晶體學(xué)觀察后，Opatowsky團(tuán)隊開發(fā)了一種新的生化分析方法，使其能夠在培養(yǎng)細(xì)胞中表達(dá)時監(jiān)測Robo二聚化。通過這種方式，他們證實了Robo對其寡聚狀態(tài)的自我控制的結(jié)構(gòu)模型，并且還表明在其他密切相關(guān)的受體中實際存在相同的機(jī)制。但新模型在實際生物系統(tǒng)中是否適用?Opatowsky解釋說：“在這里，我們通過檢查一種特定神經(jīng)元類型的命運采取了簡化方法。在進(jìn)化過程中，Robo和Slit被重復(fù)了幾次，這個過程導(dǎo)致人類和小鼠有四個Robo基因和三個Slits ，每個副本都有自己的特殊屬性，但也保留了相當(dāng)多的冗余功能。我們認(rèn)為在具有如此高水平的Robo和Slit冗余的生物中進(jìn)行我們的實驗可能會變得像玩遺傳'Whack-a-Mole'，其中淘汰一個Robo或Slit副本將被另一個Robo或Slit副本的上調(diào)所補(bǔ)償復(fù)制。對我們來說幸運的是，小線蟲線蟲只有一個Robo和一個Slit，之前的特點是Slit和Robo功能，這使它非常適合我們的目的。人類和秀麗隱桿線蟲之間的進(jìn)化距離大約是5億年，然而我們所進(jìn)行的所有實驗都指向類似的Robo分子機(jī)制。“ 淘汰一個Robo或Slit副本將被另一個副本的上調(diào)所補(bǔ)償。對我們來說幸運的是，小線蟲線蟲只有一個Robo和一個Slit，之前的特點是Slit和Robo功能，這使它非常適合我們的目的。人類和秀麗隱桿線蟲之間的進(jìn)化距離大約是5億年，然而我們所進(jìn)行的所有實驗都指向類似的Robo分子機(jī)制。“ 淘汰一個Robo或Slit副本將被另一個副本的上調(diào)所補(bǔ)償。對我們來說幸運的是，小線蟲線蟲只有一個Robo和一個Slit，之前的特點是Slit和Robo功能，這使它非常適合我們的目的。人類和秀麗隱桿線蟲之間的進(jìn)化距離大約是5億年，然而我們所進(jìn)行的所有實驗都指向類似的Robo分子機(jī)制。“

Robo是一個有吸引力的藥物目標(biāo)

當(dāng)Robo和Slit沒有正確表達(dá)時，它們參與各種發(fā)育和慢性病癥的形成和發(fā)展，例如年齡相關(guān)性黃斑變性，骨量減少和腎臟疾病。Slit和Robo在癌癥中的參與對研究人員特別感興趣。通常，細(xì)胞依靠外部信號進(jìn)行生長，分化，遷移和最終消除。這些外部信號激活細(xì)胞受體，將正確的指令傳遞到細(xì)胞中。在癌癥中，一些受體被“劫持”以驅(qū)動腫瘤形成，進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。

在基于患者腫瘤的遺傳特征的個性化癌癥治療中，藥物被用于阻斷這些流氓受體，從而剝奪癌細(xì)胞的重要信號指令并將其指向破壞。Opatowsky說：“Slit和Robo在癌癥中異常表達(dá)，長期以來一直被認(rèn)為是針對胰腺癌，皮膚癌和乳腺癌無法治愈的亞型的有前景的治療方法。” “然而，目前還沒有Robo導(dǎo)向的藥物，我們假設(shè)這是由于對Robo激活和信號傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和機(jī)制理解不充分。我們的發(fā)現(xiàn)首次提供了設(shè)計針對Robo的有效藥物所必需的信息。