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颜宁组《细胞》报道电压门控钠离子通道研究进

发布时间:2017-12-04 阅读:

  晏宁集团“细胞”报道电压门控钠离子通道的研究 - 新闻 - 科学网

  7月20日,生命中心延宁研究小组在“细胞”杂志上发表了一篇名为“电鳗钠通道Nav1.4的结构”的文章。 - 1个来自电鳗的复合体),这是一个低温电磁结构的第一个报告,其中一个真核电压门控钠离子通道复合体与辅助亚基可能处于激活状态。其结果是电压门控离子通道的结构和机理领域的重大突破。

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  图1.电压门控钠通道Nav1.4-1复合物的结构图

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  电压门控钠通道(以下简称钠通道)位于细胞膜上,能触发和传导动作电位,参与神经信号传导,肌肉收缩等重要生理过程。顾名思义,钠通道可以感应激活或失活的膜电位变化。对于可兴奋细胞,由于细胞膜两侧的钠离子,钾离子,钙离子,氯离子的不对称分布而产生跨膜电位差。在休息状态下,细胞膜电位低,细胞膜电位高,两侧3-5nm厚的细胞膜电位差约为-70mV。通常,钠通道在细胞膜的去极化状态下被激活,即当细胞内的相对内电位增加时(即,钠通道在钠通道中心打开,钠离子从高浓度细胞外侧流向细胞内状态),其特殊的结构特征使其能够在几毫秒内快速失活,从而通过与钾通道的协同作用来终止动作电位,以及通过钠钾泵介导的静息电位重建,为下一轮动作电位做好准备。

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  真核钠通道主要负责传感膜电位控制孔的开闭,然后选择性地渗透钠离子亚基,参与亚基的调控。人体内有9种钠通道亚型(命名为Nav1.1-1.9)和4(1-4)亚基,分布在神经和肌肉组织中。由于其重要的基本生理功能,钠通道的异常导致一系列神经和心血管疾病,如疼痛,癫痫和心律不齐。迄今为止,已经确定了超过1,000种与疾病有关的钠通道突变体。另一方面,许多已知的生物毒素,包括蝎毒,蛇毒和河豚毒素,以及临床上广泛使用的麻醉剂等小分子,都直接作用于钠通道。钠通道是许多大型国际制药公司的重要目标。其结构是学术界和制药业共同关心的问题。

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  严宁的研究团队已经在电压门控离子通道的结构生物学方面投入了10多年的时间,并取得了许多重要的成果,包括细菌NavRh钠通道的晶体结构(Zhang et al。,2012)。近两年来,世界上第一个与钠离子通道同源的真核电压门控钙离子通道复合体Cav1.1相继报道(Wu et al。,2016; Wu et al。,2015 )以及第一个真核钠通道NavPaS(Shen et al。,2017)的高分辨率cryo-EM结构为了解真核电压门控离子通道的结构和功能提供了重要依据。

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  在这项最新的研究中,延宁研究小组首次报道了真核钠通道复合物Nav1.4-1的低温显微结构,整体分辨率为4.0,中心分辨率约为3.5,大多数氨基酸侧链清晰蛋白质来源于电鳗(Electrophorus electricus),当被刺激或狩猎时可以释放出一个强大的电流,该电鳗具有称为电镀(electroplax)的特殊肌肉组织;电流产生基于瞬时钠通道激活。器官因此富含钠通道,其序列与九个人亚型中的Nav1.4最接近,因此被命名为EeNav1.4。值得一提的是,电鳗中的钠通道是历史上第一个纯化和克隆的钠通道,具有半个世纪的研究历史,是研究钠通道功能和机制的重要模型,因此也是结构生物学的热点奥日。

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  在这项研究中,研究小组的成员使用特定的抗体从电鳗的电子纸板组织中纯化Nav1.4-1复合物。通过不断的探索和优化纯化条件和样品制备条件,均质化蛋白样品,并进一步配制好样品冷冻电镜,最后分析冷冻高分辨电子显微镜的三维结构。与先前解决的钠通道NavPaS相比,该结构显示出三个新的结构特征:

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  1)该结构具有一个辅助亚基1,首次揭示了亚基与亚基之间的相互作用,有助于更好地理解亚基对钠通道功能的调控机制。

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  2)与快速失活钠通道有关的III-IV连接子的位置与之前的Cav1.1和NavPaS结构相比具有非常显着的变化,特别是与快速失活直接相关的IFM元件被插入到域的内层和外层。这个新的结构刷新了我们以前对钠通道失活机制的理解,但是与历史上广泛的基于电生理的突变分析非常吻合。在本文中,我们提出了一种新的变构阻断机制来解释钠通道的快速失活。

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  3)该结构特征与预测的活化状态基本一致,最有可能揭示第一个真核钠通道在开放状态下的结构。由于钠通道蛋白纯化后迅速失活,理论上开放的结构是非常困难或不可能捕获的。对电子密度的进一步分析表明,存在大量可疑的洗涤剂分子阻断细胞内的门控区域,有助于稳定钠通道的开放状态。因此,整体结构最有可能出现完全意想不到的激活状态。这种罕见的构象有助于更好地理解电压门控离子通道的最基本的机电耦合机制。此外,该结构为基于结构的药物设计和功能研究提供了一个全新的模板。

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  严宁教授是本文的作者。清华大学医学院博士后研究员严乔,医学院副研究员周强,博士生导师。生命科学学院学生吴建平博士生命科学学院的学生是本文的共同作者。这项研究得到了清华大学低温显微镜工作人员李晓梅和李晓敏的支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华SEM平台和清华大学HPC平台分别支持本研究的数据采集和数据处理。北京市生命科学研究中心,北京市先进结构生物学研究中心,科学技术部膜生物学国家重点实验室和基金委资助项目为本研究提供了资金支持。

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  原文链接:http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30758-4

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  相关论文:

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  Shen,H.,Zhou,Q.,Pan,X.,Li,Z.,Wu,J.,and Yan,N.(2017)。以近原子分辨率的真核电压门控钠通道的结构。 355。

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  Wu,J.,Yan,Z.,Li,Z.,Qian,X.,Lu,S.,Dong,M.,Zhou,Q.和Yan,N。(2016)。 3.6 A分辨率的电压门控钙通道Cav1.1的结构。 Nature 537,191-196。

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  Wu,J.,Yan,Z.,Li,Z.,Yan,C.,Lu,S.,Dong,M。和Yan,N。(2015)。电压门控钙通道Cav1.1复合物的结构。科学(纽约,纽约350,aad2395。

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  Zhang,X.,Ren,W.,DeCen,P.,Yan,C.,Tao,X.,Tang,L.,Wang,J.,Hasegawa,K.,Kumasaka,T。 (2012年)。 NaChBac电压门控钠通道的直系同源物的晶体结构。 Nature 486,130-134。

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