钠钾离子通道

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

p 　　7月20日，生命中心颜宁研究组在《细胞》(Cell)期刊在线发表题为《来自电鳗的电压门控钠离子通道Nav1.4-β1复合物结构》(Structure of the Nav1.4-β1 complex from electric eel)的研究论文，首次报道了带有辅助性亚基的真核生物电压门控钠离子通道复合物可能处于激活态的冷冻电镜结构。该成果是电压门控离子通道(voltage-gated ion channel)的结构与机理研究领域的一个重要突破。 br/ /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/noimg/006bf0f0-14f4-4b4b-9249-e21d7cbe96f4.jpg" title=" 1.jpg" width=" 460" height=" 329" style=" width: 460px height: 329px " / /p p style=" text-align: center " 图1. 电压门控钠离子通道Nav1.4-β1复合物结构示意图 /p p 　　电压门控钠离子通道(以下简称“钠通道”)位于细胞膜上，能够引发和传导动作电位，参与神经信号传递、肌肉收缩等重要生理过程。顾名思义，钠通道感受膜电势的变化而激活或失活。对于可激发的细胞，细胞膜两侧由于钠离子、钾离子、钙离子、氯离子等离子的不对称分布，产生跨膜电势差。在静息状态下，细胞膜内电势低，膜外电势高，3-5纳米厚的细胞膜两侧电势差大概为-70毫伏左右。通常情况下，钠通道在细胞膜去极化状态，也就是细胞内相对电势升高时激活(即钠通道中心通透孔道打开，钠离子由高浓度的胞外侧流向胞内)，从而引发动作电位的起始 而其又具备特殊的结构特征，使之在激活的几毫秒内迅速失活，从而保证通过与钾离子通道的协同作用结束动作电位，以及由钠钾泵介导的静息电势的重建，为下一轮的动作电位产生做好准备。 /p p 　　真核生物的钠通道主要由负责感受膜电势控制孔道开闭进而选择性通透钠离子的α亚基和参与调控的β亚基组成。在人体中共有9种钠通道α亚型(分别命名为Nav1.1-1.9)和4种β (β1-4)亚基，特异分布于神经和肌肉组织中。由于其重要的基本生理功能，钠通道的异常会导致诸如痛觉失常、癫痫、心率失常等一系列神经和心血管疾病。至今为止，已经发现了1000多种与疾病相关的钠通道突变体。另一方面，很多已知的包括蝎毒、蛇毒、河鲀毒素在内的生物毒素以及临床上广泛应用的麻醉剂等小分子均通过直接作用于钠通道发挥作用。钠通道是诸多国际大制药公司研究的重要靶点，其结构为学术界和制药界共同关注。 /p p 　　颜宁研究组十年来一直致力于电压门控离子通道的结构生物学研究，取得了一系列重要成果，包括来自细菌中的钠通道NavRh的晶体结构 (Zhang et al., 2012)。而近两年更是相继报道了与钠离子通道有同源性的世界上首个真核电压门控钙离子通道复合物Cav1.1 (Wu et al., 2016 Wu et al., 2015)以及首个真核钠通道NavPaS (Shen et al., 2017)的高分辨率冷冻电镜结构，为理解真核电压门控离子通道的结构与功能提供了重要基础。 /p p 　　在该最新研究中，颜宁研究组首次报道了真核钠通道复合物Nav1.4-β1的冷冻电镜结构，整体分辨率达到4.0 ，中心区域分辨率在3.5 左右，大部分区域氨基酸侧链清晰可见。该蛋白来自于电鳗(Electrophorus electricus)，它具有一个特化的肌肉组织称为电板(electroplax)，在受到刺激或捕猎时能够放出很强的电流 电流产生的基础即为钠通道的瞬时激活。因而该器官富集钠通道，其序列与人源九个亚型中的Nav1.4最为接近，因此命名为EeNav1.4。值得一提的是，电鳗中的钠通道正是历史上首个被纯化并被克隆的钠通道，已经具有半个世纪的研究历史，是钠通道功能和机理研究的重要模型，因此该蛋白一直以来也是结构生物学的研究热点。 /p p 　　在本研究中，研究组成员利用特异性的抗体从电鳗的电板组织中提纯出Nav1.4-β1复合物，通过对纯化条件和制样条件的不断摸索和优化，获得了性质稳定且均一的蛋白样品，并进一步制备出优质的冷冻电镜样品，最终利用冷冻电镜技术解析出其高分辨三维结构。与此前解析的钠通道NavPaS相比，该结构展示了三大新的结构特征： /p p 　　1)该结构中带有辅助性亚基β1，首次揭示了辅助性亚基与α亚基的相互作用方式，有助于更好的理解β亚基对钠通道功能的调控机制 /p p 　　2)与钠通道快速失活相关的III-IV 连接片段的位置与之前在Cav1.1和NavPaS结构相比有一个十分显著的位移，特别是与快速失活直接相关的IFM元件插入到了中间孔道结构域的内外两层之间。这一新的结构刷新了我们之前对钠通道失活机制的理解，却与历史上大量基于电生理的突变体分析十分吻合。本论文就此提出了一个解释钠通道快速失活的新的变构阻滞机制(allosteric blocking mechanism) /p p 　　3)该结构特征与预测的激活态基本吻合，极有可能揭示了首个处于开放状态的真核钠通道的结构，实属意外之喜。由于钠通道蛋白在提纯后会很快失活，理论上处于开放状态的结构是极难甚至不可能捕捉到的。进一步分析电子密度发现，有一团疑似去垢剂分子的密度堵在胞内门控区域，帮助稳定了钠通道的开放状态。因此该结构整体呈现的极有可能是完全没有预料到的激活态。这一难得的构象有助于更好地理解电压门控离子通道最基本的机电耦合机理问题(electromechanical coupling mechanism)。除此之外，该结构还为基于结构的药物设计和功能研究提供了全新的模板。 /p p 　　颜宁教授为本文的通讯作者。清华大学医学院博士后闫浈、医学院副研究员周强、生命学院博士生王琳、生命学院博士毕业生吴建平为本文的共同第一作者 清华大学冷冻电镜平台雷建林博士指导数据收集。本研究获得了清华大学冷冻电镜平台工作人员李小梅和李晓敏的大力支持。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。生命科学联合中心、北京市结构生物学高精尖创新中心、膜生物学国家重点实验室、科技部、基金委为本研究提供了经费支持。(来源：生命科学联合中心) /p p 　　原文链接：http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30758-4 /p p br/ /p

Aurora、 Alion Pharmaceuticals 、 Specs离子通道（药物开发）联盟成立！ 加拿大卑斯省，温哥华，2012-02-14 Aurora（欧罗拉）公司荣幸地宣布：我司与Alion Pharmaceuticals公司以及Specs公司正式签署协议，共同成立一个新的离子通道科研技术联盟，致力于向药物研发产业贡献更新颖、更完善的技术方案！同心协力，此三方联盟将进一步增强离子通道调制器技术极具价值的（元素）识别和确认功能。新离子通道联盟结合了Alion公司专有的药物初选方法，Specs公司可靠的化合物元素识别和合成技术，以及Aurora优越的膜片钳技术。科研人员将获得省时、经济又独到的方案以进行新药物的识别和筛选工作。 Aurora Biomed Aurora公司是全球科研方案设计开发方面的领头企业。我司产品及技术覆盖生命科学、环境科学、药品研究与安全监控，以及化学元素分析研究等多个领域，集研发与生产于一体，连科研与应用于一线。我们以提高人与环境的健康状况为使命，提供高通量并且高质、精确、精准的科学技术与服务。Aurora公司专注于药物研发方面的离子通道筛选技术以及创新高通量离子通道筛选技术，其专利的离子通道阅读器为制药业在研发初期发现并关注药品安全因素提供了可能性。除此以外，Aurora公司还乐意提供离子通道，通道蛋白和病毒，突变基因离子通道的设立和检测，和各种细胞株离子通道方面的合同研究服务。Specs Specs公司是一家为生命科学行业的药物开发提供化学解决方案的著名供应商。该公司主营业务是为大研究项目提供各类高品质的合成药物，以进行高通量筛选，现场或非现场的药物处理，化学信息学处理及合同研究等应用。Specs公司拥有国家最先进的技术和世界一流的专家，为客户提供个性化服务，并为全球制药、生物技术和农药行业提供具有突破性的解决方案，让研究者将宝贵的时间和精力投入到更有创造性的工作中。详细信息请浏览www.specs.netAlion Pharmaceuticals Alion公司已经开发了特有的硅片技术，可迅速地识别靶标化合物来调节某些离子通道和蛋白质的相互作用。该公司的技术适用于针对特殊离子通道设计小分子靶向药物，缩小了筛选范围，而那些有价值的化合物通过少量试验则可用离子通道定性。Alion公司的技术还适用于针对已知的目标物设计只知道多肽（蛋白质）结构的小分子靶向药物。 Ion Channel Consortium for Ion Channel Drug Discovery formed by Aurora, Alion Pharmaceuticals and Specs Vancouver, British Columbia, February 14, 2012 Aurora Biomed Inc. is pleased to announce that it has signed an agreement with Alion Pharmaceuticals and Specs to form a new Ion Channel Consortium that will provide a novel, comprehensive solution for ion channel drug discovery. Together, the three companies will offer value added identification and validation of ion channel modulators. The Ion Channel Consortium combines Alion’s proprietary method for short-listing drug candidates, Specs’ reliable sourcing and synthesis of compounds, and Aurora’s superior patch clamp services. Researchers now have an option that enables time and cost savings while providing a unique method to identify new drug candidates for channel opathies.About Aurora BiomedAurora Biomed is a global leader in the design and development of laboratory solutions for life science, environmental science, drug discovery/safety and chemical analysis research. We are committed to improving the quality of human and environmental health by providing technology and services which facilitate a higher sample throughput while improving quality, accuracy and precision. Aurora Biomed focuses on ion channel screening services for drug discovery and innovative high-throughput ion channel screening technology. Aurora’s proprietary ion channel readers enable the pharmaceutical industry to address drug safety issues earlier in the discovery process. Aurora Biomed provides contract research services for ion channels, channel forming proteins and toxins, creation and testing of mutant cDNA ion channels, and various ion channel cell lines.About SpecsSpecs is one of the world's leading suppliers of chemistry solutions for drug discovery to the Life Science industry. The main activities of Specs are focused on the supply of large numbers of high-quality screening compounds for High Throughput Screening (HTS), on-site and/or off-site compound handling, cheminformatics and contract research for lead discovery programs. Equipped with state-of-the-art technology and world-class expertise, Specs provides custom-tailored services and breakthrough solutions for the pharmaceutical, biotech and agrochemical industry worldwide, allowing the customers to concentrate on the development of their core (research) activities. Information about Specs can be found at www.specs.netAbout Alion PharmaceuticalsAlion has developed proprietary in silico technology to rapidly identify lead compounds to modulate certain ion channels and protein-protein interactions. The technology is applicable to designing small molecule leads for specific ion channels. Short-listed, high value compounds can then have their effect on ion channels characterized through limited experimentation. Alion’s technology is applicable to designing small molecule leads to a given macro-molecule target, where only the structure of a peptide (or protein) ligand is known.