Synaptic cell adhesion molecules have been involved in the control of various aspects of synaptic development. Some known synaptic adhesion molecules bind trans-synaptically and heterophilically, and regulate the synapse formation in diverse synapses. I studied that NGL-3, a PSD-95-interacting postsynaptic adhesion molecule, and LAR, a receptor protein tyrosine phosphatase, expressed in heterologous cells induce pre- and postsynaptic differentiation in contacting axons and dendrites of cocultured rat hippocampal neurons, respectively. Neuronal over expression of NGL-3 increases presynaptic contacts on dendrites of transfected neurons. Knockdown of NGL-3 reduces excitatory synapses. Competitive inhibition by soluble LAR reduces NGL-3-induced presynaptic differentiation. The first two FNIII domains of LAR are molecular determinant for interacting with NGL-3, and the other LAR family members, PTP$\delta$ and PTP$\sigma$, also can bind to NGL-3 via first two FNIII domains. These two interactions promote synapse formation in a different manner; the PTP$\sigma$-NGL-3 interaction promotes synapse formation in a bidirectional manner, whereas the PTP$\delta$-NGL-3 interaction instructs only presynaptic differentiation in a unidirectional manner. mRNAs encoding LAR family proteins display overlapping and differential expression patterns in various brain regions. These results suggest that trans-synaptic adhesion between NGL-3 and the three LAR family proteins regulates excitatory synapse formation in shared and distinct neural circuits.
시냅스는 신호를 전달하는 부분인 전시냅스(presynapse)와 받는 부분인 후시냅스(postsynapse)로 이루어진다. 시냅스 세포 접착 단백질은 이러한 시냅스 발달 과정에 다양하게 관여하는 것으로 알려져 있다. 이들 중 일부는 이종(heterophilic) 접합으로 전 시냅스와 후 시냅스간 연결을 매개한다. 나는 이러한 시냅스 접착 단백질 중, 후시냅스 스캐폴딩(scaffolding) 단백질인 PSD-95와 연결되어 있는 NGL-3를 연구하였다. NGL-3를 신경세포가 아닌 세포, 즉 섬유아세포(fibroblast)에 과발현하여 신경세포와 함께 배양 시, 세포표면에 전시냅스를 형성하는 것을 관찰할 수 있었으며, 신경세포에 과발현시에도 신경세포와 접촉하는 흥분성 전시냅스의 양이 월등히 증가하는 것을 보았다. 또한 NGL-3의 발현을 shRNA를 통해 저해하였을 때, 시냅스의 수가 줄어드는 것을 관찰할 수 있었다. 이런 NGL-3의 결합 파트너로서 receptor protein tyrosine phosphatase인 LAR를 찾게 되었고, NGL-3를 발현하는 섬유아세포를 신경세포와 함께 배양할 때 LAR의 외부 도메인을 정제해 넣어주면 전시냅스 형성이 방해되며, LAR를 섬유아세포에 발현해 신경세포와 배양시 후시냅스를 형성하는 것으로 보아 이들의 결합이 시냅스 형성에 관여한다는 것을 알 수 있었다. 이에 더해서 LAR와 비슷한 도메인 구조를 갖는 PTP$\delta$와 PTP$\sigma$ 또한 NGL-3와 결합한다는 것을 확인하였다. LAR와 PTP$\delta$,PTP$\sigma$는?모두?처음?두 FNIII 도메인만 있어도 NGL-3와 연결이 가능하며, 이 중 LAR와 PTP$\sigma$의 경우 이들 도메인만으로 후 시냅스를 형성할 수 있다는 것을 확인하였다. 마지막으로 이들의 mRNA 발현 패턴을 통해 다양한 신경회로에서 서로의 결합이 특이 혹은 비특이적으로 존재할 수 있다는 사실을 예측할 수 있었다.
