清華劉曉冬研究組發(fā)文揭示抑制鈣離子通道的新方式
清華新聞網(wǎng)1月9日電 1月6日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉曉冬研究組在《e生命》（eLife）期刊在線發(fā)表了題為“基于碳末端的多域協(xié)同急性抑制L型鈣通道”（Cooperative and acute inhibition by multiple C-terminal motifs of L-type Ca2+ channels）的研究長文（article）。論文工作綜合利用電生理、定量(FRET )熒光能量共振轉(zhuǎn)移熒光成像、化學(xué)誘發(fā)異源多肽聚合、以及計算機模型仿真等手段，首次揭示了一種抑制L型電壓門控鈣離子通道的新型方式——“碳末端介導(dǎo)抑制”（CMI）。
該項研究利用組成性及急性誘發(fā)的域間聚合，闡明了通道蛋白碳末端的三個關(guān)鍵域之間的協(xié)同法則，論證了碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）對通道門控和鈣內(nèi)流的抑制作用，分析了碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）機制與鈣通道核心門控特性的關(guān)聯(lián)。同時，論文基于帕金森癥中重要神經(jīng)元的仿真計算結(jié)果，初步探討了碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）潛在的病生理意義。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士生劉楠、楊亞雄及葛琳為論文的共同第一作者，劉曉冬博士為本文的通訊作者，參與部分工作的作者還包括清華大學(xué)博士后劉敏博士以及美國哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授亨利·科爾克拉夫特（Henry Colecraft）博士。
A圖為碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）三元素間的協(xié)同組合法則（左）。在其中任何兩元素空間距離足夠接近的情況下，第三個元素作為調(diào)控多肽通過碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）方式抑制L型鈣通道。通過瞬時性施加小分子（雷帕霉素）連接兩個多肽（PCRD和DCRD）后，高峰值、強鈣依賴性失活（CDI）的鈣電流（右圖中粉色）峰值大幅降低（削減約65%）同時鈣依賴性失活基本消除（青色）。首次揭示了碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）的重要特征：無論碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）效力(potency)如何，終態(tài)鈣依賴性失活的電流幅值維持不變，確保碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）能夠削減鈣內(nèi)流并定量決定了其極限效力（maximum potency），同時提示碳末端介導(dǎo)抑制（CMI）機制可能與鈣依賴性失活等經(jīng)典過程類似地參與通道的核心門控。B圖SNc（黑質(zhì)紋狀體）神經(jīng)元模型中，鈣依賴性失活能夠削弱CaV1.3鈣電流和自發(fā)節(jié)律性振蕩，進而緩解帕金森癥（PD）中的鈣超載（粉色），提示可利用鈣依賴性失活開發(fā)新型的疾病干預(yù)手段。
細胞需要鈣離子維系正常的生命活動而鈣失調(diào)（如鈣超載等）則會導(dǎo)致多種疾病。細胞膜上的電壓門控鈣離子（如CaV1.3）通道精確調(diào)控鈣離子內(nèi)流及其時空動態(tài)，對于心腦等器官的生理機能至關(guān)重要，也與心律失常及帕金森癥等重大疾病密切相關(guān)。因此，抑制CaV1.3等鈣通道的機制及方法成為基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)的重要目標(biāo)。臨床上，鈣通道抑制劑（也稱為拮抗劑）是常用的抗心律失常藥；另外，針對阿爾茨海默癥的藥物迄今尚未攻克，而鈣通道拮抗劑是當(dāng)前研發(fā)中的重要先導(dǎo)藥物之一。CaV1.3通道開放后能夠被流入的鈣離子以負反饋形式迅速削弱（即鈣依賴性失活），多項研究證實這一過程由重要鈣結(jié)合蛋白—鈣調(diào)素（calmodulin）所介導(dǎo)；同時，通道蛋白的碳末端能夠通過與鈣調(diào)素競爭影響通道功能，成為另一類重要的反饋型調(diào)控。然而，對于碳末端調(diào)控的基本效應(yīng)仍存在重大爭議：一方面碳末端調(diào)控能夠抑制鈣依賴失活，具有上調(diào)鈣內(nèi)流的傾向；另一方面有證據(jù)表明碳末端削弱通道的開放能力（即電壓依賴性激活），進而抑制鈣內(nèi)流。兩種對立效應(yīng)同時發(fā)生，那么碳末端對鈣內(nèi)流的影響究竟是怎樣的？這是領(lǐng)域內(nèi)懸而未決的挑戰(zhàn)性問題。
劉曉冬研究組從碳末端三個關(guān)鍵域的結(jié)構(gòu)-功能分析出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并建立了三元素協(xié)同組合法則：任何兩元素如果在空間距離上足夠“親密“，三者將最終形成復(fù)合體、將鈣調(diào)素從通道上驅(qū)除、進而改變通道門控特性。基于此法則，利用化學(xué)小分子誘導(dǎo)多肽間聚合形成 “親密”組合，迅速抑制了鈣電流瞬態(tài)峰值，但并不影響其穩(wěn)態(tài)電流水平，二者共同表現(xiàn)為鈣依賴失活的強度降低。結(jié)合其它證據(jù)，揭示出鈣內(nèi)流能夠確保被削弱下調(diào)，從而澄清了前述的”矛盾效應(yīng)”，所依據(jù)的基本事實是：碳末端抑制的實質(zhì)是將鈣電流峰值向其穩(wěn)態(tài)值水平壓低，其極限抑制效力對應(yīng)于鈣依賴失活的最大強度。這一發(fā)現(xiàn)同時提示，碳末端抑制與鈣依賴失活同為鈣通道的負反饋調(diào)控，雖然由不同的事件引發(fā)：分別為鈣離子與鈣調(diào)素結(jié)合或者是多肽與鈣調(diào)素競爭，但二者的終態(tài)共享相同的核心門控模式，即通道的”抑制“態(tài)：超低水平的激活但同時基本不再失活。以上原理及機制預(yù)期能夠推廣至“鈣依賴易化”以及“碳末端易化“等上調(diào)通道功能的“激動劑”效應(yīng)，而碳末端調(diào)控的高精度結(jié)構(gòu)-功能分析等機制細節(jié)，以及其病生理作用，均為后續(xù)跟進研究的重要方向。本項研究同時也提供了開發(fā)鈣通道抑制劑的新范式，神經(jīng)元模型仿真計算的結(jié)果預(yù)示：碳末端抑制有望成為帕金森癥等疾病的新型干預(yù)手段。
劉曉冬實驗室致力于“合成電生理學(xué)”研究，通過在分子和細胞水平上功能重建重要離子通道及其跨膜信號，研究與通道相關(guān)的病生理機制及干預(yù)方法。劉曉冬及其課題組在鈣離子通道領(lǐng)域的研究重點在于將自反饋調(diào)控與干預(yù)因子密切相結(jié)合，本研究是此方向上繼前期工作（《自然》（Nature）2010; 《細胞報導(dǎo)》（Cell Reports）2015; 《通道》（Channels）2016）的最新進展。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所以及生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）等方面的支持。
論文鏈接：https://elifesciences.org/content/6/e21989
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：李華山
