Synapses are asymmetric cellular adhesions that are critical for nervous system development and function, but the mechanisms that induce their formation are not well understood. We have previously identified thrombospondin as an astrocyte-secreted protein that promotes central nervous system (CNS) synaptogenesis. Here, we identify the neuronal thrombospondin receptor involved in CNS synapse formation as α2δ-1, the receptor for the anti-epileptic and analgesic drug gabapentin. We show that the VWF-A domain of α2δ-1 interacts with the epidermal growth factor-like repeats common to all thrombospondins. α2δ-1 overexpression increases synaptogenesis in vitro and in vivo and is required postsynaptically for thrombospondin- and astrocyte-induced synapse formation in vitro. Gabapentin antagonizes thrombospondin binding to α2δ-1 and powerfully inhibits excitatory synapse formation in vitro and in vivo. These findings identify α2δ-1 as a receptor involved in excitatory synapse formation and suggest that gabapentin may function therapeutically by blocking new synapse formation.

In order to survey a universe of major histocompatibility complex (MHC)-presented peptide antigens whose numbers greatly exceed the diversity of the T cell repertoire, T cell receptors (TCRs) are thought to be cross-reactive. However, the nature and extent of TCR cross-reactivity has not been conclusively measured experimentally. We developed a system to identify MHC-presented peptide ligands by combining TCR selection of highly diverse yeast-displayed peptide-MHC libraries with deep sequencing. Although we identified hundreds of peptides reactive with each of five different mouse and human TCRs, the selected peptides possessed TCR recognition motifs that bore a close resemblance to their known antigens. This structural conservation of the TCR interaction surface allowed us to exploit deep-sequencing information to computationally identify activating microbial and self-ligands for human autoimmune TCRs. The mechanistic basis of TCR cross-reactivity described here enables effective surveillance of diverse self and foreign antigens without necessitating degenerate recognition of nonhomologous peptides.

Immunotherapy Packs a One-Two Punch Despite the immune system's best efforts, cancer always seems to be one step ahead. One example of this is that tumor cells express CD47 on their cell surface. CD47 acts as a “don't eat me” signal to phagocytic macrophages. A potential therapeutic strategy could thus be to block this signal. Weiskopf et al. (p. 88 , published online 30 May; see the Perspective by Kershaw and Smyth ) created variants of the CD47 receptor, SIRPα, that could act as high-affinity antagonists of CD47. Although the antagonists blocked CD47 effectively in tumor-bearing mice, on their own they did not induce macrophages to phagocytose the tumor cells. When paired with a variety of therapeutic antitumor antibodies, however, the CD47 antagonists were very effective in treating several mouse tumor models.

ABSTRACT The Drosophila Dpr and DIP proteins belong to the immunoglobulin superfamily of cell surface proteins (CSPs). Their hetero- and homophilic interactions have been implicated in a variety of neuronal functions, including synaptic connectivity, cell survival, and axon fasciculation. However, the signaling pathways underlying these diverse functions are unknown. To gain insight into Dpr–DIP signaling, we sought to examine how these CSPs are associated with the membrane. Specifically, we asked whether Dprs and DIPs are integral membrane proteins or membrane anchored through the addition of glycosylphosphatidylinositol (GPI) linkage. We demonstrate that Dprs and DIPs are GPI anchored to the membrane of insect cells and validate these findings for some family members in vivo using Drosophila larvae, where GPI anchor cleavage results in loss of surface labeling. Additionally, we show that GPI cleavage abrogates aggregation of insect cells expressing cognate Dpr–DIP partners. To test if the GPI anchor affects Dpr–DIP localization, we replaced it with a transmembrane domain and observed perturbation of sub-cellular localization on motor neurons and muscles. These data suggest that membrane anchoring of Dprs and DIPs through GPI linkage is required for localization and that Dpr–DIP intracellular signaling likely requires transmembrane co-receptors.

ABSTRACT Projections from sensory neurons of olfactory systems coalesce into glomeruli in the brain. The Kirrel receptors are believed to homodimerize via their ectodomains and help separate sensory neuron axons into Kirrel2- or Kirrel3-expressing glomeruli. Here we present the crystal structures of homodimeric Kirrel receptors and show that the closely related Kirrel2 and Kirrel3 have evolved specific sets of polar and hydrophobic interactions, respectively, disallowing heterodimerization while preserving homodimerization, likely resulting in proper segregation and coalescence of Kirrel-expressing axons into glomeruli. We show that the dimerization interface at the N-terminal IG domains is necessary and sufficient to create homodimers, and fail to find evidence for a secondary interaction site in Kirrel ectodomains. Furthermore, we show that abolishing dimerization of Kirrel3 in vivo leads to improper formation of glomeruli in the mouse accessory olfactory bulb as observed in Kirrel3 -/- animals. Our results provide strong evidence for Kirrel3 homodimerization controlling axonal coalescence.

Abstract Latrophilins/ADGRLs are conserved adhesion-type G protein-coupled receptors associated with early embryonic morphogenesis defects, lethality, and sterility across multiple model organisms. However, their mechanistic roles in embryogenesis and the identity of their binding ligands remain unknown. Here, we identified a cell-surface receptor, TOL-1, the sole Toll-like receptor in C. elegans , as a novel ligand for the C. elegans Latrophilin, LAT-1. The extracellular lectin domain of LAT-1 directly binds to the second leucine-rich repeat domain of TOL-1. The highresolution crystal structure and the cryo-EM density map of the LAT-1–TOL-1 ectodomain complex reveal a previously-unobserved mode of one-to-one interaction enabled by a large interface. CRISPR/Cas9-mediated mutation of key interface residues selectively disrupted the endogenous LAT-1–TOL-1 interaction in C. elegans, leading to partial sterility, lethality, and malformed embryos. Thus, TOL-1 binding to LAT-1 represents a receptor-ligand axis essential for animal morphogenesis.

The localization and clustering of neurotransmitter receptors at appropriate postsynaptic sites is a key step in the control of synaptic transmission. Here, we identify a novel paradigm for the synaptic localization of an ionotropic acetylcholine receptor (AChR) based on the direct interaction of its extracellular domain with a cell adhesion molecule of the IgLON family. Our results show that RIG-5 and ZIG-8, which encode the sole IgLONs in

The evolution of complex nervous systems was accompanied by the expansion of groups of protein families, most notably cell adhesion molecules, surface receptors and their ligands. These proteins mediate axonal guidance, synapse targeting, and other neuronal wiring-related functions. Recently, members of a set of thirty interacting cell surface proteins belonging to two newly defined families of the immunoglobulin superfamily (IgSF) in fruit flies were discovered to label different subsets of neurons in the brain and ventral nerve cord. They have been shown to be involved in synaptic targeting and morphogenesis, retrograde signaling, and neuronal survival. Here we show that these proteins, denoted as Dprs and DIPs, belong to a family of two and three-Ig domain molecules in bilaterians generally known for neuronal wiring functions. In protostomes, the ancestral Dpr/DIP gene has duplicated to form heterophilic partners, such as Dprs and DIPs, while in deuterostomes, they have evolved to create the IgLON family of neuronal receptors. In support of this phylogeny, we show that IgLONs interact with each other, and that their complexes can be broken by mutations designed using homology models based on Dpr and DIP structures. Similarly, the nematode orthologs ZIG-8 and RIG-5 can form heterophilic and homophilic complexes structurally matching Dpr-DIP and DIP-DIP complexes. The evolutionary, biochemical and structural relationships we demonstrate here provides insights into neural development and the rise of complexity in metazoans.

Axon pathfinding is controlled by attractive and repulsive molecular cues that activate receptors on the axonal growth cone, but the full repertoire of axon guidance molecules remains unknown. The vertebrate DCC receptor family contains the two closely related members DCC and Neogenin with prominent roles in axon guidance and three additional, divergent members - Punc, Nope, and Protogenin - for which functions in neural circuit formation have remained elusive. We identified a secreted Punc/Nope/Protogenin ligand, WFIKKN2, which guides mouse peripheral sensory axons through Nope-mediated repulsion. In contrast, WFIKKN2 attracts motor axons, but not via Nope. These findings identify WFIKKN2 as a bifunctional axon guidance cue that acts through divergent DCC family members, revealing a remarkable diversity of ligand interactions for this receptor family in nervous system wiring.WFIKKN2 is a ligand for the DCC family receptors Punc, Nope, and Prtg that repels sensory axons and attracts motor axons.

Multicellularity was accompanied by the emergence of new classes of cell surface and secreted proteins. The nematode