Science文章：解析關(guān)鍵離子通道
日期：2017-02-13 09:01:07
清華大學(xué)，清華北大聯(lián)合生命科學(xué)研究中心的研究人員報(bào)道了真核生物電壓門控鈉離子通道近原子分辨率結(jié)構(gòu)（分辨率為3.8埃），這為理解電壓門控鈣離子和鈉離子通道的工作機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。
這一研究成果公布在2月9日的Science雜志上，文章的通訊作者是清華大學(xué)顏寧教授，顏寧教授研究組近年來聚焦于膜蛋白、膽固醇代謝調(diào)控通路相關(guān)因子的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，在Science、Nature、Cell等雜志上發(fā)表多篇重要的論文，并榮獲了中國青年女科學(xué)家獎(jiǎng)、HHMI國際青年科學(xué)家獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。
電壓門控離子通道是一大類位于細(xì)胞膜上、通過感受電信號控制離子跨膜進(jìn)出細(xì)胞的蛋白質(zhì)。上世紀(jì)四五十年代，英國科學(xué)家霍奇金和赫胥黎發(fā)現(xiàn)了動(dòng)作電位；之后發(fā)現(xiàn)電壓門控鈉離子通道（Nav通道）引發(fā)動(dòng)作電位。近幾年，隨著冷凍電鏡技術(shù)的革新，利用該技術(shù)獲得近原子分辨率結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。顏寧研究組利用清華大學(xué)的冷凍電鏡平臺，首次揭示了真核生物Cav通道的結(jié)構(gòu)。
相關(guān)研究成功解析了肌肉興奮-收縮偶聯(lián)通路上的兩個(gè)關(guān)鍵膜蛋白Cav1.1以及RyR1的結(jié)構(gòu)，從而為理解這一基本生理過程的分子機(jī)理打下重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。更重要的是，高分辨的Cav1.1結(jié)構(gòu)不僅揭示了Cav通道的結(jié)構(gòu)，也為理解目前仍未有高分辨率結(jié)構(gòu)的真核Nav通道的結(jié)構(gòu)與機(jī)理提供了重要的模板。
在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步報(bào)道了來自美洲蟑螂(American cockroach）的電壓門控鈉離子通道（NavPaS）近原子分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到3.8埃），結(jié)構(gòu)分析顯示四個(gè)重復(fù)的電壓感測結(jié)構(gòu)域（VSD）具有不同的構(gòu)象，非對稱選擇性過濾前部分的入口受到大量糖基化和二硫鍵穩(wěn)定細(xì)胞外環(huán)的保護(hù)。而且在細(xì)胞質(zhì)一端，還具有一個(gè)保守的氨基末端結(jié)構(gòu)域，位于VSDI下方，另外一個(gè)羧基末端結(jié)構(gòu)域結(jié)合于III-IV接頭上。
這一NavPaS結(jié)構(gòu)與此前解析Cav通道為理解Nav和相關(guān)Cav通道的功能和疾病機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。
此外，顏寧教授帶領(lǐng)的研究小組還分離出了來自兔骨骼肌的Cav1.1復(fù)合物，并采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)借助直接電子檢測和先進(jìn)的圖像處理確定了它的結(jié)構(gòu)。獲得這一偽四聚體真核生物Cav通道與其輔助亞基的復(fù)合物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，為認(rèn)識相關(guān)通道的功能和疾病機(jī)制提供了重要的框架。這一重要的研究成果發(fā)布在12月18日的《科學(xué)》（Science）雜志上。
去年5月，顏寧帶領(lǐng)的研究小組，與中科院微生物研究所的研究人員合作，在《Cell》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究中指出，他們采用單粒子低溫電子顯微鏡(cryo-EM)技術(shù)獲得了了分辨率為4.4埃（Å）的全長人類NPC1的結(jié)構(gòu)，及NPC1與埃博拉病毒（EBOV）酶切后糖蛋白(GPcl)的復(fù)合物的低分辨率結(jié)構(gòu)。由此認(rèn)識了NPC1介導(dǎo)膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)和埃博拉病毒感染的結(jié)構(gòu)機(jī)制。
