清華大學教授eLife新發現：抑制鈣離子通道的新方式
日期：2017-01-19 08:57:08
來自清華大學醫學院生物醫學工程系的研究人員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：CMI即“碳末端介導抑制”，該項研究利用組成性及急性誘發的域間聚合，闡明了通道蛋白碳末端的三個關鍵域之間的協同法則，論證了CMI對通道門控和鈣內流的抑制作用，分析了CMI機制與鈣通道核心門控特性的關聯。
這一研究成果公布在eLife雜志上，文章的通訊作者是清華大學醫學院生物醫學工程系劉曉冬教授，生物醫學工程系博士生劉楠、楊亞雄及葛琳為論文的共同第一作者，參與部分工作的作者還包括清華大學博士后劉敏博士以及美國哥倫比亞大學醫學院教授Henry Colecraft博士。
細胞需要鈣離子維系正常的生命活動而鈣失調（如鈣超載等）則會導致多種疾病。細胞膜上的電壓門控鈣離子（如CaV1.3）通道精確調控鈣離子內流及其時空動態，對于心腦等器官的生理機能至關重要，也與心律失常及帕金森癥等重大疾病密切相關。因此，抑制CaV1.3等鈣通道的機制及方法成為基礎研究及應用開發的重要目標。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前研發中的重要先導藥物之一。
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合蛋白—鈣調素（calmodulin）所介導；同時，通道蛋白的碳末端能夠通過與鈣調素競爭影響通道功能，成為另一類重要的反饋型調控。然而，對于碳末端調控的基本效應仍存在重大爭議：一方面碳末端調控能夠抑制鈣依賴失活，具有上調鈣內流的傾向；另一方面有證據表明碳末端削弱通道的開放能力（即電壓依賴性激活），進而抑制鈣內流。兩種對立效應同時發生，那么碳末端對鈣內流的影響究竟是怎樣的？這是領域內懸而未決的挑戰性問題。
劉曉冬研究組綜合利用電生理、定量FRET熒光成像、化學誘發異源多肽聚合、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——CMI即“碳末端介導抑制”。該項研究利用組成性及急性誘發的域間聚合，闡明了通道蛋白碳末端的三個關鍵域之間的協同法則，論證了CMI對通道門控和鈣內流的抑制作用，分析了CMI機制與鈣通道核心門控特性的關聯。
具體來說，研究人員從碳末端三個關鍵域的結構-功能分析出發，發現并建立了三元素協同組合法則：任何兩元素如果在空間距離上足夠“親密“，三者將最終形成復合體、將鈣調素從通道上驅除、進而改變通道門控特性?；诖朔▌t，利用化學小分子誘導多肽間聚合形成 “親密”組合，迅速抑制了鈣電流瞬態峰值，但并不影響其穩態電流水平，二者共同表現為鈣依賴失活的強度降低。結合其它證據，揭示出鈣內流能夠確保被削弱下調，從而澄清了前述的”矛盾效應“，所依據的基本事實是：碳末端抑制的實質是將鈣電流峰值向其穩態值水平壓低，其極限抑制效力對應于鈣依賴失活的最大強度。
這一發現同時提示，碳末端抑制與鈣依賴失活同為鈣通道的負反饋調控，雖然由不同的事件引發：分別為鈣離子與鈣調素結合或者是多肽與鈣調素競爭，但二者的終態共享相同的核心門控模式，即通道的”抑制“態：超低水平的激活但同時基本不再失活。以上原理及機制預期能夠推廣至“鈣依賴易化”以及“碳末端易化“等上調通道功能的“激動劑”效應，而碳末端調控的高精度結構-功能分析等機制細節，以及其病生理作用，均為后續跟進研究的重要方向。
這一項研究同時也提供了開發鈣通道抑制劑的新范式，神經元模型仿真計算的結果預示：碳末端抑制有望成為帕金森癥等疾病的新型干預手段。
劉曉冬實驗室致力于“合成電生理學”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，研究與通道相關的病生理機制及干預方法。劉曉冬及其課題組在鈣離子通道領域的研究重點在于將自反饋調控與干預因子密切相結合，這一研究（eLife 2017）是此方向上繼前期工作（Nature 2010; Cell Reports 2015; Channels 2016）的最新進展。該項研究得到了國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、清華大學麥戈文腦科學研究所以及生命科學聯合中心（CLS）等方面的支持。
