Molecular Mechanisms in Adhesion Protein Mediated Neuron-Neuron Recognition

粘附蛋白介导的神经元-神经元识别的分子机制

基本信息

  • 批准号:
    1914542
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 100万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-01 至 2024-02-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

How neurons interact with one another to create the complex wiring diagram of a mature vertebrate brain is a major mystery. One of the many problems that arises is how neurons are "barcoded"; that is, how they distinguish self from non-self. This ability is essential since, without it, there would be nothing to prevent neurons from forming connections (synapses) with themselves, essentially creating a short circuit within the brain. The fundamental goal of this project is to understand how neurons are barcoded. Neuron-neuron recognition is mediated by protein-protein interactions. This project focuses on members of the Clustered Protocadherins (Pcdh) protein family that establish a unique identity for individual vertebrate neurons allowing them to distinguish "self" from "non-self". The research will involve computer simulations, biophysical measurements, and high-resolution microscopy experiments to experimentally validate and describe the barcoding mechanism in cells. A particularly important element of the research is the development of scientists with expertise in both computational and experimental work. The training of women and minority scientists is an integral component of the proposed research program. Both undergraduate and graduate minority students trained to be on a trajectory to become highly successful research scientists. The main objective of the project is to advance understanding of the molecular basis of neuron-neuron recognition. Cell-cell interactions are mediated by protein-protein interactions and the long-range goal of the research is to understand the underlying mechanisms. Specifically, how do protein-protein interactions involving cell surface proteins mediate highly specific cell-cell interactions. Given the complexity of the nervous system, neuron-neuron interactions offer a unique challenge in this regard. The research focuses on the clustered Protocadherins (Pcdhs) that establish a unique identity for individual vertebrate neurons allowing them to distinguish "self" from "non-self". These are neuronal barcoding proteins. The research involves computational studies to determine how homophilic specificity is coded on Pcdh-Pcdh interfaces, the design of mutants to test the hypotheses that are generated, and their testing experimentally. A second focus of the research is to elucidate the molecular basis of neuronal barcoding. A novel chain termination mechanism based on the assembly of crystalline-like "molecular zippers" in cell-cell interfaces has been proposed and is consistent with all available experimental data. The model will now be explored with multi-scale simulations, and in vitro and in vivo experimental studies. Notably, the model introduces new concepts in the molecular basis of cell-cell recognition. This project is supported by the Molecular Biophysics Cluster of the Molecular and Cellular Biosciences Division in the Biological Sciences Directorate.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
神经元如何相互作用以创建成熟脊椎动物大脑的复杂接线图是一个重大谜团。出现的许多问题之一是如何对神经元进行“条形码”;也就是说,他们如何区分自我和非自我。这种能力至关重要,因为如果没有它,就没有什么可以阻止神经元与自身形成连接(突触),从而在大脑内造成短路。该项目的基本目标是了解神经元是如何编码的。神经元-神经元识别是由蛋白质-蛋白质相互作用介导的。该项目重点关注簇状原钙粘蛋白 (Pcdh) 蛋白家族的成员,该家族为单个脊椎动物神经元建立了独特的身份,使它们能够区分“自我”和“非自我”。 该研究将涉及计算机模拟、生物物理测量和高分辨率显微镜实验,以通过实验验证和描述细胞中的条形码机制。 研究的一个特别重要的因素是培养在计算和实验工作方面具有专业知识的科学家。对女性和少数族裔科学家的培训是拟议研究计划的一个组成部分。少数族裔本科生和研究生都经过训练,有望成为非常成功的研究科学家。 该项目的主要目标是增进对神经元-神经元识别的分子基础的理解。细胞与细胞之间的相互作用是由蛋白质与蛋白质相互作用介导的,研究的长期目标是了解潜在的机制。具体来说,涉及细胞表面蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用如何介导高度特异性的细胞-细胞相互作用。鉴于神经系统的复杂性,神经元之间的相互作用在这方面提出了独特的挑战。该研究的重点是簇状原钙粘蛋白(Pcdhs),它为个体脊椎动物神经元建立了独特的身份,使它们能够区分“自我”和“非自我”。这些是神经元条形码蛋白。该研究涉及计算研究以确定如何在 Pcdh-Pcdh 界面上编码同质特异性、设计突变体以测试所生成的假设以及对其进行实验测试。研究的第二个重点是阐明神经元条形码的分子基础。已经提出了一种基于细胞-细胞界面中晶体状“分子拉链”组装的新型链终止机制,并且与所有可用的实验数据一致。现在将通过多尺度模拟以及体外和体内实验研究来探索该模型。值得注意的是,该模型引入了细胞间识别的分子基础的新概念。该项目得到了生物科学理事会分子和细胞生物科学部分子生物物理学集群的支持。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
How clustered protocadherin binding specificity is tuned for neuronal self-/nonself-recognition
如何调整簇状原钙粘蛋白结合特异性以实现神经元自我/非自我识别
  • DOI:
    10.1101/2021.07.22.453400
  • 发表时间:
    2021-07-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    K. Goodman;Phinikoula S. Katsamba;Rotem Rubinstein;G. Ahlsen;Fabiana Bahna;S. Mannepalli;Hanbin Dan
  • 通讯作者:
    Hanbin Dan
DIP/Dpr interactions and the evolutionary design of specificity in protein families
DIP/Dpr 相互作用和蛋白质家族特异性的进化设计
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-15981-8
  • 发表时间:
    2020-01-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Alina P. Sergeeva;Phinikoula S. Katsamba;F. Cosmanescu;Joshua J. Brewer;G. Ahlsen;S. Mannepalli;L. Shapiro;B. Honig
  • 通讯作者:
    B. Honig
Sorting of cadherin–catenin-associated proteins into individual clusters
将钙粘蛋白-连环蛋白相关蛋白分类到各个簇中
  • DOI:
    10.1073/pnas.2105550118
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Troyanovsky, Regina B.;Sergeeva, Alina P.;Indra, Indrajyoti;Chen, Chi;Kato, Rei;Shapiro, Lawrence;Honig, Barry;Troyanovsky, Sergey M.
  • 通讯作者:
    Troyanovsky, Sergey M.
Trans-endocytosis elicited by nectins transfers cytoplasmic cargo including infectious material between cells
连接蛋白引起的转内吞作用在细胞之间转移包括感染性物质在内的细胞质货物
  • DOI:
    10.1242/jcs.235507
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Generous, Alex R.;Harrison, Oliver J.;Troyanovsky, Regina B.;Mateo, Mathieu;Navaratnarajah, Chanakha K.;Donohue, Ryan C.;Pfaller, Christian K.;Alekhina, Olga;Sergeeva, Alina P.;Indra, Indrajyoti;et al
  • 通讯作者:
    et al
Push-pull mechanics of E-cadherin ectodomains in biomimetic adhesions
E-钙粘蛋白胞外域在仿生粘连中的推拉力学
  • DOI:
    10.1016/j.bpj.2023.07.026
  • 发表时间:
    2023-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Nagendra, Kartikeya;Izzet, Adrien;Judd, Nicolas B.;Zakine, Ruben;Friedman, Leah;Harrison, Oliver J.;Pontani, Léa;Shapiro, Lawrence;Honig, Barry;Brujic, Jasna
  • 通讯作者:
    Brujic, Jasna
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  • 通讯作者:
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    Lingle Wang
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  • 发表时间:
    2023-09-18
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Haiqing Zhao;Diana Murray;Donald Petrey;Barry Honig
  • 通讯作者:
    Barry Honig
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  • 发表时间:
    1970-01-01
  • 期刊:
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  • 作者:
    H. Morishita;T. Yagi;Yagi;Takeshi;Lawrence Shapiro;Barry Honig
  • 通讯作者:
    Barry Honig

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