颜宁与施一公等揭示最大离子通道RyR1结构

清华新闻网12月18日-12月15日，清华大学医学院研究组、生命学院史研究组以及英国MRC分子生物学实验室Sjors Scheres研究组在《自然》杂志在线联合发表了一篇题为“近原子分辨率下兔RyR1的结构”的研究论文。龙文揭示了目前已知的最大离子通道Ryanodine受体RyR1的三维结构，为理解其功能提供了重要线索。

钙离子是生物体内最丰富的阳离子之一，也是细胞信号传递的重要第二信使，参与肌肉收缩、细胞分泌、神经信号传递等重要生命过程的调节。在正常情况下，细胞质中的钙离子浓度保持在大约100 nM的低浓度，而内质网(或肌肉组织的肌浆网)中的钙离子浓度高达mM，mM是细胞中的“钙库”。在肌肉细胞中，当细胞外或肌浆网中的钙离子释放到细胞质中时，就会引发肌肉收缩。这一过程称为肌肉兴奋-收缩耦合，是骨骼肌和心肌运动的分子基础。然而，它是一个高通量的钙通道，被称为兰尼碱受体(RyR)，负责将钙离子从肌浆网释放到细胞质中。

RyR起着四聚体的作用，每种单体有5000多个氨基酸，因此其四聚体的总分子量达到230万道尔顿(2.3 MDa)，这是目前已知的最大的离子通道蛋白。哺乳动物体内有三种RyR蛋白，其中RyR1主要分布于骨骼肌细胞，RyR2主要分布于心肌细胞，RyR3最早发现于脑细胞。他们在序列上高度保守。RyR的离子通道开关由各种信号控制，包括钙离子浓度。RyR的突变会导致诸如中枢神经系统疾病和恶性高热易感性等疾病。大量文献报道和统计数据表明，500多种RyR突变体与疾病有关。

RyR1单体结构域及四聚体三维电子显微结构分析。

由于RyR的重要生理功能及其作为钙离子通道基础研究的重要意义，对其结构和功能的研究备受关注。自从科学家在20世纪70年代发现这种蛋白质并在80年代开始对RyR进行系统研究以来，近40年来，国内外许多实验室一直致力于RyR的结构分析，但由于RyR的巨大分子量，获得蛋白质和结晶蛋白质非常困难。以前，只有一些晶体结构的小碎片。在过去的20年里，许多文献报道了RyR的低分辨率电子显微镜结构，揭示了它蘑菇状的外观。然而，这些电子显微镜结构的分辨率最高只有大约10埃(1纳米)，并且不能清楚地看到蛋白质的二级结构。

在过去的两年里，单粒子冷冻电子显微镜在探测器和计算方法方面取得了革命性的进展。通过冷冻三维重建分析蛋白质的原子分辨率结构已经成为可能。颜宁研究小组和史研究小组与英国MRC的舍尔斯·舍尔斯教授合作，探索新的蛋白质纯化策略，获得高质量的蛋白质样品。用单颗粒冷冻电镜成功地分析了兔源RyR1蛋白及其抑制剂FKBP12蛋白复合物的三维结构。该结构的总分辨率达到3.8，负责离子传输的跨膜区的分辨率甚至超过3.5，可以准确建立原子结构模型。

兔子RyR1的每个单体含有5037个氨基酸，其中3000多个氨基酸的原子坐标被分析。除了先前获得的三个可溶结构域片段，电子显微结构首次揭示了跨膜区(每种单体包含近500个氨基酸)和可溶区中三个全新结构域的近原子分辨率三维结构。RyR1具有四重对称金字塔结构。它的跨膜区具有类似于电压门控离子通道的折叠特征，但是还有额外的结构域来调节通道的打开和关闭状态。跨膜区的高分辨率和高质量密度揭示了RyR1识别钙离子的机制和钙离子高通量转运的分子基础。整体结构分析显示了巨大胞质结构域的分级结构和组织特征以及调节通道转换的可能机制。该研究对于了解肌肉收缩耦合及相关疾病也具有重要意义，并为相关疾病的治疗提供了重要的结构线索。

RyR1跨膜粒子通道区的三维结构模型。

本文的通信作者是清华大学医学院的颜宁教授、生命学院的施一公教授教授和英国分子生物学实验室的舍勒斯教授。合著者包括清华大学医学院四年级博士生、生命学院五年级博士生颜传业和英国医学研究中心博士后白。清华大学生命研究所的李雪明研究员和北京大学健康科学中心生物物理系的尹昌成教授参加了本次研究。

本研究得到了科技部、基金委、清华大学生命科学联合中心和生物膜与膜生物工程国家重点实验室的资助。颜宁是清华大学医学院拜耳讲师教授，也是霍华德休斯医学研究所的国际青年科学家。(原标题:颜宁等人公布了自然界已知最大离子通道RyR1的三维结构)