顏寧等發(fā)文揭示RyR2長程門控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
中心結(jié)構(gòu)域極可能是控制心肌鈣離子通道RyR2開放的關(guān)鍵
清華新聞網(wǎng)9月26日電 RyR是廣泛存在于肌肉細(xì)胞（包括骨骼肌和心肌）及腦組織中的鈣離子釋放通道，其功能是在收到上游信號后，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌質(zhì)網(wǎng)中的鈣離子迅速釋放到細(xì)胞質(zhì)中，從而觸發(fā)進(jìn)一步的信號傳遞，比如導(dǎo)致肌肉收縮等。在哺乳動物中，RyR有三個亞型，其中RyR1和RyR2已分別被證實(shí)在骨骼肌和心肌的興奮-收縮偶聯(lián)（excitation-contraction coupling, ECC）中發(fā)揮作用。所謂興奮-收縮偶聯(lián)，就是神經(jīng)信號控制肌肉收縮的過程，即上游的電壓門控鈣離子通道Cav在收到動作電位刺激活化后激活RyR，從而最終導(dǎo)致肌肉收縮這一生理過程。肌肉收縮的生理重要性不言而喻，從分子乃至原子水平理解興奮-收縮偶聯(lián)具有重要意義。
北京時間2016年9月22日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧研究組與加拿大卡爾加里大學(xué)（University of Calgary）陳穗榮研究組合作，在《科學(xué)》（Science）期刊在線發(fā)表標(biāo)題為“2型Ryanodine受體RyR2門控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2）”的研究長文，揭示了目前已知分子量最大的離子通道Ryanodine受體RyR2亞型處于開放和關(guān)閉兩種狀態(tài)的三維電鏡結(jié)構(gòu)，探討了RyR2的門控機(jī)制，并提出中心結(jié)構(gòu)域極可能是控制心肌鈣離子通道RyR開放的關(guān)鍵。
RyR1 和RyR2分別主要在骨骼肌和心肌中發(fā)揮作用，盡管其為同源蛋白、結(jié)構(gòu)序列相近，但被上游Cav通道激活的方式卻存在很大差異。研究表明，Cav1.1能夠與RyR1形成超級復(fù)合物，并通過構(gòu)象變化激活RyR1；而RyR2的激活則主要依靠經(jīng)Cav1.2涌入的鈣離子來實(shí)現(xiàn)。此外，RyR2的突變會導(dǎo)致心臟功能紊亂，引發(fā)如兒茶酚胺敏感性多形性室性心動過速、特發(fā)性心室顫動、心臟性猝死等疾病。
最新發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的論文中，顏寧研究組針對心臟中興奮-收縮偶聯(lián)過程開展的研究獲得了RyR2處于關(guān)閉和開放兩種不同狀態(tài)的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。RyR2蛋白樣品純化自豬心，樣品獲取非常不易。在清華大學(xué)冷凍電鏡平臺及相關(guān)新技術(shù)支持下，研究組最終僅利用少量蛋白樣品，使用EDTA來鎖定RyR2的關(guān)閉構(gòu)象，利用20 μM的鈣離子和小分子PCB 95來穩(wěn)定開放構(gòu)象，最終獲得了分辨率分別為4.2埃的關(guān)閉構(gòu)象和4.1埃的開放構(gòu)象的兩個結(jié)構(gòu)。
關(guān)閉及開放構(gòu)象的RyR2。
通過比較關(guān)閉和開放狀態(tài)的兩個結(jié)構(gòu)（如圖所示），研究組發(fā)現(xiàn)位于穿膜區(qū)域負(fù)責(zé)通透離子的通道有明顯的變化：在開放構(gòu)象中，該通道發(fā)生擴(kuò)張，從而使得鈣離子能夠順利地從肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。RyR2細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的可溶區(qū)域占據(jù)整個蛋白很大的比例，在開放狀態(tài)下，這部分區(qū)域向著肌質(zhì)網(wǎng)膜靠近，同時還伴隨著一定程度的旋轉(zhuǎn)。通過對RyR2中每個相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域的比較和分析，研究組認(rèn)為中心結(jié)構(gòu)域（Central domain）極有可能是介導(dǎo)胞質(zhì)內(nèi)信號長程傳遞引發(fā)RyR開放的關(guān)鍵，這一發(fā)現(xiàn)與之前有關(guān)RyR的功能研究結(jié)論相吻合。另外，這篇文章還對部分觀察到的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行了功能方面的驗(yàn)證研究，從而更加全面地展示了RyR2的結(jié)構(gòu)及功能特性。
值得一提的是，這項(xiàng)研究成果是顏寧研究組在離子通道，特別是興奮-收縮偶聯(lián)領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。在此之前，顏寧研究組發(fā)表了一系列工作，包括第一個RyR1的高分辨率原子結(jié)構(gòu)以及第一個Cav1.1復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。研究組的后續(xù)研究進(jìn)一步表明，即使在通道保持關(guān)閉時，RyR1的胞質(zhì)區(qū)也依然會呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化。另外，研究組還獲得了分辨率為5.7埃的RyR1開放構(gòu)象結(jié)構(gòu)，并基于結(jié)構(gòu)比對，初步分析了RyR1的門控機(jī)理。有關(guān)RyR1的這些成果已作為兩篇研究論文分別發(fā)表在《自然》（Nature）和《細(xì)胞研究》（Cell Research）上，有關(guān)Cav1.1的兩篇論文分別發(fā)表于《科學(xué)》（Science）和《自然》雜志。上述研究與最新的這篇《科學(xué)》期刊發(fā)表的論文極大地促進(jìn)了人們對于興奮-收縮偶聯(lián)的理解。
這篇研究論文的通訊作者是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的顏寧教授和卡爾加里大學(xué)的陳穗榮（S. R. Wayne Chen）教授，共同第一作者為清華大學(xué)生命學(xué)院2011級PTN項(xiàng)目（北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京生命科學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項(xiàng)目）彭偉博士、2012級PTN項(xiàng)目博士生申懷宗、以及2012級CLS項(xiàng)目（生命科學(xué)聯(lián)合中心博士研究生項(xiàng)目）博士生吳建平。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺為數(shù)據(jù)收集提供了支持，清華大學(xué)高性能計算平臺為數(shù)據(jù)處理提供了支持。相關(guān)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、以及加拿大相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)支持。顏寧教授是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、拜耳講席教授及霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院國際青年科學(xué)家。
原文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/09/23/science.aah5324
RyR1相關(guān)文章鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7532/full/nature14063.html
http://www.nature.com/cr/journal/v26/n9/full/cr201689a.html
Cav1.1相關(guān)文章鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/350/6267/aad2395.long
http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7619/full/nature19321.html
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：清芷 華山 襄樺
