钠通道

p 　　2月10日，清华大学医学院颜宁研究组在《科学》(Science)在线发表题为《真核生物电压门控钠离子通道的近原子分辨率三维结构》(Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near atomic resolution)的研究长文，在世界上首次报道了真核生物电压门控钠离子通道(以下简称“钠通道”)的3.8埃分辨率的冷冻电镜结构，为理解其作用机制和相关疾病致病机理奠定了基础。 /p p 　　清华大学生命学院五年级博士生申怀宗、医学院副研究员周强、医学院博士后潘孝敬、生命学院二年级博士生李张强和生命学院五年级博士生吴建平为该文章共同第一作者。通讯作者是清华大学医学院拜耳讲席教授以及霍华德休斯医学研究院国际青年科学家颜宁。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201702/insimg/cf1e15e9-bab0-49ad-9048-f7b30195c3a0.jpg" title=" untitled_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 真核生物电压门控钠离子通道的拓扑图和三维电镜结构。 /p p 　　 strong 重要性 /strong /p p 　　上世纪四五十年代，英国科学家霍奇金和赫胥黎发现了动作电位 之后发现电压门控钠离子通道(Nav通道)引发动作电位，而电压门控钾离子通道(Kv通道)则终结动作电位，恢复至静息状态。自此科学界展开了针对钠通道方方面面延续至今的系统研究 可以说，对钠通道的研究构成了过去60多年电生理研究的重要基石。 /p p 　　钠通道是所有动物中电信号的主要启动键，而电信号则是神经活动和肌肉收缩等一系列生理过程的控制基础。在人体中，一共有九种已知的电压门控钠离子通道亚型，在不同的器官和生理过程中发挥作用。钠通道的异常会导致一系列与神经、肌肉和心血管相关的疾病，特别是癫痫、心律失常和持续性疼痛或者无法感知痛觉等 迄今已经在人体的九种钠通道蛋白中发现了一千多个与已知疾病相关的点突变。此外，钠通道也是许多局部麻醉剂以及自然界中大量的神经毒素的直接靶点，许多蛇毒、蝎毒、蜘蛛毒素等，都是作用于钠离子通道而产生不良后果。 /p p 　　钠通道是诸多国际制药公司的研究靶点，有着巨大的制药前景。获取钠通道的精细三维结构对于理解其工作机理以及制药至关重要。 /p p 　　 strong 技术难度 /strong /p p 　　除了作为膜蛋白通常具有的技术难度之外，对于真核钠通道高分辨率三维结构的解析还存在着几道额外的很难逾越的“路障”。 /p p 　　首先，获取蛋白样品难。真核生物钠离子通道蛋白全长包含约2000个氨基酸，很难对其像电压门控钾离子通道那样进行大量的体外重组表达 内源钠通道通常含量极低，很难像电压门控钙离子通道那样从生物组织直接纯化出足够的用于结构解析的高质量蛋白样品。 /p p 　　其次，钠通道是由一条肽链折叠而成，具有假四次对称特征。与同源四聚体的钾通道相比，钠通道很难结晶或者利用冷冻电镜技术获取结构 它们又不像钙通道那样与辅助亚基形成较大分子量的稳定复合体，从而增大了利用电镜技术解析结构的难度。 /p p 　　最后，真核钠通道包含有比较多的柔性区域，还存在着多种多样的翻译后修饰，这都对其结构解析构成很大挑战。 /p p 　　也因此，对于真核钠通道的结构生物学研究远远滞后于早在2003年即获得首个晶体结构的电压门控钾离子通道。包括欧美英日在内的全球数十个研究团队都在紧锣密鼓攻坚，力图获得首个真核钠通道的高分辨率结构。 /p p 　　 strong 突破点 /strong /p p 　　在最新的《科学》论文中，颜宁研究组成功地克服了以上的层层瓶颈，获得了性质良好的蛋白样品，并利用单颗粒冷冻电镜的方法，重构出了可以清晰分辨绝大多数侧链的真核生物钠离子通道(命名为NavPaS)的三维结构。研究组利用电镜技术，同时反其道而行之，放弃了对于大分子量蛋白的追求，而利用序列分析选取长度最短的真核钠离子通道，成功利用重组技术获得了表达量较高、性质稳定均一的美洲蟑螂(电生理重要模式生物之一)的钠通道蛋白。该结构的解析为理解钠通道的离子选择性、电压依赖的激活与失活特性、配体抑制机理提供了重要的分子基础，为解释过去60多年的大量实验数据提供了结构模板，并为基于结构的分子配体开发奠定了基础。 /p p 　　 strong 十年铸剑 /strong /p p 　　值得一提的是，颜宁自2007年在清华大学医学院建立实验室伊始即开始了针对电压门控钠离子和钙离子通道的结构生物学攻坚，并于2012年在《自然》报道了来自一种海洋细菌的钠离子通道NavRh处于失活状态的晶体结构。此后，课题组又在国际上首次报道了真核生物电压门控钙离子通道Cav1.1的高分辨率结构，为理解相关生理过程(包括但不限于肌肉收缩偶联过程)的分子机理打下了重要基础。历经十年，颜宁实验室解析了真核电压门控钠离子通道的结构。至此，所有经典的电压门控阳离子通道都有了三维结构模板，而其中由单链折叠而成的真核钙离子和钠离子通道结构都是颜宁实验室率先获得，奠定了其团队在该领域的国际领先地位。 /p p 　　本研究获得了清华大学冷冻电镜平台雷建林博士、李小梅和李晓敏的大力支持，数据采集于清华大学于2009年购置的Titan Krios冷冻电镜。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电镜平台和清华大学高性能计算平台分别为本研究的数据收集和数据处理提供了支持。科技部、基金委、生命科学联合中心-清华大学、生物膜与膜生物工程国家重点实验室为本研究提供了经费支持。本研究还获得了清华大学医学院和生命学院肖百龙、熊巍、陶庆华、塞西莉亚· 卡捏莎(Cecilia Canessa)等实验室的帮助。 /p p br/ /p

p 　　记者从中国科学技术大学获悉，该校田长麟教授研究组与德国莱布尼茨分子药物所Adam Lange及孙涵课题组合作，应用固体核磁共振、单通道电生理及分子动力学模拟等方法揭示了NaK离子通道的离子选择性新机制。该研究成果已发表在《自然· 通讯》上。 /p p 　　离子通道是细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质微孔道，在细胞膜上形成动作电位和梯度电位，决定细胞的兴奋性和传导性。绝大多数离子通道对不同的离子有选择性的通透，但仍有一部分离子通道可以非选择性地通过几种离子。研究人员在KcsA钾离子通道结构基础上，提出了“钾离子通道通过选择过滤器中主链C=O形成水合离子配位方式实现离子选择性”的静态机制模型，获得了广泛认同。但是，近年来高分辨率X-射线晶体结构显示NaK离子通道在结合不同离子时其静态通道结构完全一致，这无法解释其如何识别和通透这些离子。 /p p 　　田长麟课题组以非选择性通道NaK为研究对象，将其重组装到磷脂双分子膜内(还原离子通道所存在的细胞膜环境)，并与Adam Lange组合作，通过魔角旋转固体核磁方法获得高分辨固体NMR谱图，并获得了不同金属阳离子条件下谱峰归属。NMR谱图数据表明，NaK在生理环境下通道存在两种构象，钾离子选择结合其中一种，而钠离子选择另一种。双方进一步通过固体核磁对原子间距离测量勾画出了两种构象的结构差别，并用分子动力学模拟的方法验证了两种构象分别对K+和Na+有高度的选择性。 /p p 　　这一研究成果提出了离子通道选择性的新机制。 /p

近日，北京大学未来技术学院分子医学研究所研员陈雷课题组发现了钠漏通道NALCN-FAM155A-UNC79-UNC80复合物的冷冻电镜结构及UNC79-UNC80调节NALCN-FAM155A的机制。这一研究于5月12日发表在《自然-通讯》上。　　神经细胞的静息膜电位（Resting Membrane Potential, RMP）影响着神经细胞的可兴奋性，对于维持神经细胞正常的生理功能至关重要。钠漏通道NALCN（Sodium Leak Channel, Nonselective）介导了神经细胞的钠漏电流，能使静息膜电位更加去极化，从而提高神经细胞的可兴奋性。　　NALCN在哺乳动物中高度保守，与电压门控钙离子通道（CaV）和电压门控钠离子通道（NaV）同源性较高。且参与了诸多与神经系统相关的重要的生物学过程，包括呼吸节律的调节、痛觉感知、生物钟的调节和快速动眼睡眠等。　　“在人群中，NALCN的单点突变会引起多种严重的神经发育遗传疾病，包括精神运动发育迟缓和具有特征面相的小儿肌张力低下症及四肢和面部先天性挛缩、肌张力低下和发育迟缓症等。尽管NALCN通道有着如此重要的功能，但其工作机制仍不清楚。”陈雷告诉《中国科学报》。　　在2020年，陈雷研究组曾解析NALCN-FAM155A亚复合体的高分辨率结构，阐明了NALCN的钠离子选择性、胞外钙离子阻塞和电压调节特性的结构基础，发现了在NALCN通道中独有的位于II-III linker上的CIH螺旋可以结合在其胞内结构域上。但是UNC79和UNC80的结构以及它们是如何激活NALCN的并不清楚。　　先前的研究表明，UNC79和UNC80容易与NALCN-FAM155A亚复合体发生解离。在本项研究中，作者们在NALCN的C末端融合了GFP，UNC80的N末端融合了与GFP高亲和力结合的纳米抗体以稳定UNC79/80与NALCN间的相互作用。　　经过同源蛋白筛选等步骤，研究人员确定以大鼠NALCN和小鼠FAM155A, UNC79和UNC80亚基组成的复合体为研究对象，并在克服了样品制备、数据处理等困难后，通过单颗粒冷冻电镜技术获得了整体分辨率为3.2埃的四元复合物的电子密度，并搭建了原子模型。　　结构显示，UNC79和UNC80均由富含螺旋的结构组成，这些螺旋进一步的组装成HEAT重复或ARM重复等超螺旋结构。UNC79的N端与UNC80的C端、UNC79与UNC80的中间铰链区以及UNC79的C端与UNC80的N端均存在着紧密的相互作用，形成钳子状的复合体，整体形状类似于无穷号“∞”。 进一步的研究发现，NALCN主要通过胞内loop区与UNC79-UNC80发生相互作用的：NALCN胞质侧的I-II linker中的一段β-发卡结构（UNIM-A）与UNC79发生相互作用，II-III linker中的一段loop-螺旋结构（UNIM-B）以及一段L型螺旋结构（UNIM-C）与UNC80发生相互作用。作者们将NALCN与UNC79/80发生相互作用的基序命名为UNC Interacting Motif (UNIM)。　　陈雷介绍，该项研究还发现，UNC79, UNC80和FAM155A三个附属亚基对于NALCN能够正确的转运到细胞膜上是必不可少的。“这有可能是因为这些互作使UNC79/80遮挡了NALCN胞质侧loop上的内质网滞留信号，从而促进NALCN上膜。另外，这些互作也释放了CIH对NALCN的自抑制，使其激活。这为深入理解NALCN复合体的工作机制奠定了基础。”他说。