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为探究 Cadherin EGF Laminin G 七次跨膜 G 型受体亚家族（CELSR）的功能机制，研究人员开展小鼠 CELSR1 胞外区域（ECR）结构的研究。结果发现 14 个结构域形成紧密模块，CELSR1 在 Ca2+存在下形成二聚体，明确了其细胞黏附相关功能区域。这为理解 aGPCR 功能提供了分子层面的依据。
在多细胞生物的发育进程中，细胞间的精准黏附与信号传递宛如精密的 “交响乐”，对胚胎发育、神经系统构建等关键过程起着决定性作用。其中，黏附 G 蛋白偶联受体（aGPCR）家族是这一 “交响乐” 中不可或缺的 “演奏者”，而 Cadherin EGF Laminin G 七次跨膜 G 型受体亚家族（CELSR/ADGRC）更是 aGPCR 家族中高度保守的重要成员，在动物发育过程中扮演着至关重要的角色。
然而，长期以来，CELSR 的研究犹如迷雾笼罩。尽管已知它参与平面细胞极性（PCP）等重要生理过程，在神经管闭合、内耳毛细胞排列、神经元迁移等方面发挥关键作用，其突变还与神经管缺陷、淋巴水肿、多种神经系统疾病及白血病进展紧密相关，但人们对其分子层面的功能机制却知之甚少。CELSR 庞大的胞外区域（ECR）包含 23 个黏附结构域，宛如一座神秘的 “城堡”，内部构造复杂，各结构域间如何协同工作、怎样介导细胞黏附与信号传递，这些关键问题一直悬而未决，严重阻碍了相关领域的深入研究。
为了驱散这片迷雾，来自美国芝加哥大学（The University of Chicago）和范德堡大学（Vanderbilt University）的研究人员 Sumit J. Bandekar、Krassimira Garbett、Szymon P. Kordon 等组成科研团队，踏上了探索 CELSR1 奥秘的征程。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为揭开 CELSR 的神秘面纱带来了曙光。
研究人员运用了多种先进的技术方法来深入探究 CELSR1 的结构与功能。其中，冷冻电镜（cryo-EM）技术就像一台 “纳米显微镜”，让研究人员能够以 3.8 ? 的高分辨率解析小鼠 CELSR1 ECR 的结构；小角 X 射线散射（SAXS）技术则如同 “分子尺子”，用于在溶液中测量蛋白质的大小、形状和聚集状态；分子动力学模拟则像是 “微观模拟大师”，可以深入分析蛋白质内部的动态变化。通过这些技术的联合运用，研究人员全面地对 CELSR1 进行了研究。
研究人员首先对包含 CADH1 - GAIN 结构域的 CELSR1 ECR 构建体进行纯化，随后开展单颗粒冷冻电镜分析。结果令人惊喜，他们发现 CADH9 - GAIN 区域的 14 个结构域形成了一个紧凑模块（CMM），其整体结构形似古老的衔尾蛇符号。其中，CADH9 如同 “蛇头”，GAIN 结构域恰似 “蛇尾”，二者通过保守残基相互作用，构成了稳定模块的关键界面。此外，研究人员还成功解析了 FBox 结构域的实验结构，明确了它与原钙粘蛋白 MAD 结构域的相似性，同时发现 CELSR FBox 结构域缺乏弗林蛋白酶切割位点，且在 CMM 中其与 CADH9 的二聚化表面存在空间位阻。
通过对 CADH9 - GAIN 模块进行结构分析，研究人员发现该模块由三个关键界面稳定。CADH9/GAIN 界面的保守残基相互作用，埋藏了约 1100 ?2的溶剂可及表面积；EGF2 和 EGF7 之间的疏水相互作用，埋藏了约 470 ?2；LamG1 和 EGF6 之间也形成了稳定的疏水核心，埋藏了约 770 ?2。这些相互作用如同 “分子胶水”，将各个结构域紧密连接在一起，维持了 CMM 的稳定。
在研究 CELSR1 的二聚化特性时，研究人员利用 SEC - MALS - SAXS 技术对 CADH1 - GAIN 构建体在有无 Ca2+条件下进行分析。结果表明，在 1 mM CaCl2存在时，蛋白质在溶液中形成二聚体，洗脱体积左移，分子质量增加。通过演化因子分析（EFA）分离散射成分并重建电子密度图，发现二聚体呈延伸构象，推测 CADH1 - 8 区域以反平行方式排列，这与原子力显微镜的观察结果相符，暗示这种反平行二聚体可能介导 CELSR1 的黏附功能。
为了明确 CELSR1 各部分在黏附功能中的作用，研究人员构建了 ΔCADH1 - 8 和 ΔCADH9 - GAIN 缺失突变体。细胞聚集实验和细胞 - 细胞连接富集实验结果显示，CADH1 - 8 模块是细胞 - 细胞黏附所必需的，而 ΔCADH9 - GAIN 突变体虽能形成聚集体，但效率低于野生型，表明 CADH9 - GAIN 模块对细胞黏附具有调节作用。此外，EGTA 处理可消除野生型 CELSR1 介导的聚集，证实了 Ca2+依赖的反平行二聚体在黏附中的重要性。
研究人员进一步设计了 CADH9/GAIN 界面的点突变体 L1163A/F2188A（LF）、L1163A/Y2250A（LY）和 N1184A/R1185A/Y2250A（NRY）。细胞聚集实验表明，这些突变体诱导的细胞聚集程度显著高于野生型 CELSR1，说明破坏 CADH9 - GAIN CMM 可增强 CELSR1 的黏附潜能，且突变体的信号传导活性未发生改变。
综合上述研究结果，研究人员揭示了 CELSR1 ECR 的三维结构，明确了 CADH1 - 8 和 CADH9 - GAIN 模块在细胞黏附中的不同作用。CADH1 - 8 介导反平行二聚化驱动细胞黏附，而 CADH9 - GAIN CMM 则对其进行调节。这一研究成果为理解 CELSR 在动物发育中的功能提供了坚实的分子基础，也为 aGPCR 家族的研究开辟了新方向。同时，研究还发现 aGPCRs 可能普遍存在类似的结构模式，即 N 端为黏附区域，信号通过 CMM 传递并调节黏附功能，这对于深入研究 aGPCR 的作用机制具有重要的启示意义。未来，随着研究的不断深入，有望进一步揭示 CELSR 反平行二聚体的详细分子结构，以及其在疾病发生发展中的具体作用机制，为相关疾病的治疗提供新的靶点和策略。
