清華大學(xué)顏寧研究組在Science發(fā)表論文
揭示真核電壓門(mén)控鈣離子通道復(fù)合物Cav1.1的三維結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)12月22日電 12月18日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧教授研究組在國(guó)際頂尖期刊《科學(xué)》（Science）上以長(zhǎng)文（Research Article）的形式發(fā)表題為《電壓門(mén)控鈣離子通道復(fù)合物Cav1.1的三維結(jié)構(gòu)》（Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 complex）的研究論文，首次報(bào)道了真核生物電壓門(mén)控鈣離子通道的4.2埃分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，為理解其功能提供了重要的線索。
圖：Cav1.1的電鏡密度圖（左）和整體結(jié)構(gòu)模型（右）
鈣離子（Ca2+）是生物體內(nèi)重要的第二信使，在肌肉收縮、神經(jīng)信號(hào)傳遞、腺體分泌、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及細(xì)胞凋亡等眾多生命過(guò)程中扮演重要角色。細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度一般遠(yuǎn)低于細(xì)胞外或者內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的鈣庫(kù)。電壓門(mén)控鈣離子通道響應(yīng)細(xì)胞膜電位變化而激活，運(yùn)輸Ca2+進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)而引發(fā)一系列下游信號(hào)通路。
Cav1.1（也叫dihydropyridine receptor，DHPR）是最早被鑒定出的電壓門(mén)控鈣離子通道，主要位于骨骼肌細(xì)胞的橫小管（transverse tubule），是肌肉興奮收縮偶聯(lián)（excitation-contraction（E-C）coupling）過(guò)程中的關(guān)鍵蛋白。骨骼肌細(xì)胞在興奮信號(hào)作用下會(huì)導(dǎo)致膜電位的變化，Cav1.1 在感受膜電位變化后與肌質(zhì)網(wǎng)膜上的RyR1蛋白發(fā)生相互作用，導(dǎo)致RyR1將肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+快速大量釋放到肌細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)而引起骨骼肌收縮。
Cav1.1及其他電壓門(mén)控鈣離子通道是由四個(gè)亞基組成的蛋白復(fù)合體，分別為a1,a2d,b和g。其中a1亞基是鈣離子通道亞基，負(fù)責(zé)運(yùn)輸Ca2+。它與電壓門(mén)控鈉離子通道（Nav）的結(jié)構(gòu)相似，由一條肽鏈折疊成四個(gè)相似的結(jié)構(gòu)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)域包含六根跨膜螺旋（S1-S6）。四組S5、S6以及他們之間的序列組成了鈣離子運(yùn)輸通道（pore region），而每一個(gè)結(jié)構(gòu)域中的S1-S4則形成電壓感應(yīng)器（voltage-sensing domains，VSDs）。Cav1.1的其他亞基不參與鈣離子運(yùn)輸，但對(duì)通道的電壓感受、電生理特征、以及細(xì)胞定位等有重要的調(diào)控作用，因此也被稱為輔助性亞基（auxiliary subunits）。
電壓門(mén)控鈣離子通道與許多疾病相關(guān)聯(lián)，如低鉀性周期癱瘓（hypokalemic periodic paralysis）、心率紊亂（cardiac arrhythmia）、癲癇（epileptic seizure），等等，因此它們是重要的藥物靶點(diǎn)。有很多小分子能夠結(jié)合Cav的a1亞基，激活或者抑制其對(duì)Ca2+運(yùn)輸能力。另外，目前已經(jīng)上市的治療癲癇癥和神經(jīng)痛的兩種藥物gabapentin和pregabalin就是作用在Cav的a2d亞基上。
盡管目前有鈣（鈉）離子通道原核同源蛋白晶體結(jié)構(gòu)的報(bào)道，但它們的通道亞基是由四條相同的肽鏈組成的同源四聚體，并且沒(méi)有輔助性亞基。因此為了更好地理解真核電壓門(mén)控鈣離子通道的結(jié)構(gòu)與功能，諸多實(shí)驗(yàn)室一直致力于解析真核鈣離子或鈉離子通道的結(jié)構(gòu)，但由于技術(shù)難度，此前只有低分辨（~20埃）的電鏡結(jié)構(gòu)。
在最新的《科學(xué)》論文中，顏寧研究組另辟蹊徑，探索了新的蛋白提純方法，最終獲得了性質(zhì)良好的蛋白樣品。利用單顆粒冷凍電鏡方法，重構(gòu)出了分辨率為4.2埃的兔源Cav1.1蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，首次展示了Cav1.1各個(gè)亞基的相互作用界面和亞基內(nèi)部結(jié)構(gòu)域的分布情況，揭示了各個(gè)輔助亞基（a2d，b，g）調(diào)控離子通道亞基（a1）的分子機(jī)理，為理解真核Cav和Nav的功能以及它們與疾病相關(guān)的機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
至此，顏寧實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)解析了肌肉興奮收縮通路上的膜蛋白，包括電壓門(mén)控鈉離子通道（細(xì)菌同源蛋白NavRh）、電壓門(mén)控鈣離子通道、以及最大的鈣離子通道RyR1的結(jié)構(gòu)，從而為理解這一基本生理過(guò)程的分子機(jī)理打下重要基礎(chǔ)。
生命學(xué)院四年級(jí)博士生吳建平和醫(yī)學(xué)院五年級(jí)博士生閆湞為本文共同第一作者；生命學(xué)院一年級(jí)博士生李張強(qiáng)參與樣品制備和數(shù)據(jù)收集；閆創(chuàng)業(yè)博士為數(shù)據(jù)處理提供了幫助，顏寧為通訊作者。北京生命科學(xué)研究所董夢(mèng)秋教授和盧珊參與質(zhì)譜鑒定的合作。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心支持。顏寧是清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心研究員、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員、拜耳講席教授，本工作獲得科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃“真核生物跨膜運(yùn)輸?shù)鞍椎慕Y(jié)構(gòu)與機(jī)理研究”的專項(xiàng)支持。
相關(guān)論文鏈接：
http://www.sciencemag.org/content/350/6267/aad2395.full
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7532/full/nature14063.html
http://www.nature.com/nature/journal/v486/n7401/abs/nature11054.html
供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：襄樺 文杰
