颜宁组《细胞》报道电压门控钠离子通道研究进展

颜宁研究小组在《细胞》杂志上报道了电鳗激活电压门控钠通道钠1.4和β1复合物的三维结构

7月20日，生命中心的颜宁研究小组在《细胞》杂志上在线发表了一篇题为“电鳗钠离子1.4-β1复合物的结构”的研究论文，首次报道了具有辅助亚基的真核生物的电压门控钠通道复合物可能处于激活状态的冷冻电子显微镜结构。这一成果是电压门控离子通道结构和机理研究的重要突破。

图1。电压门控钠离子通道Nav1.4-β1配合物的结构图

电压门控钠离子通道(以下简称“钠通道”)位于细胞膜上，可启动和传导动作电位，参与神经信号传递和肌肉收缩等重要生理过程。顾名思义，钠通道是由膜电位的变化来激活或去激活的。对于可兴奋细胞，细胞膜两侧钠离子、钾离子、钙离子和氯离子血浆的不对称分布导致跨膜电位差。在静止状态下，细胞膜内的电位低，而膜外的电位高。厚度为3-5纳米的细胞膜两侧的电位差约为-70毫伏。正常情况下，当细胞膜去极化时，钠通道被激活，即细胞内的相对电位升高(即钠通道的*可渗透通道打开，钠离子从细胞外高浓度地流向细胞内)，从而触发动作电位的启动；然而，它具有特殊的结构特征，使其在激活后几毫秒内迅速失活，从而确保动作电位通过与钾离子通道的协同作用和钠钾泵介导的静息电位重建而完成，从而为下一轮动作电位的产生做准备。

真核生物的钠通道主要由α亚基和β亚基组成，α亚基负责感应膜电位、控制孔道的开闭和选择性渗透钠离子，β亚基参与调节。人体内有9种钠通道α亚型(Nav1.1.9)和4种β亚单位(β4)，它们特异性分布于神经和肌肉组织。钠通道异常由于其重要的基本生理功能，会导致一系列的神经和心血管疾病，如痛觉过敏、癫痫、心律失常等。迄今为止，已经发现了1000多种与疾病相关的钠通道突变体。另一方面，许多已知的生物毒素，包括蝎毒、蛇毒和团头鲂毒素，以及临床上广泛使用的麻醉药物和其他小分子，都是通过直接作用于钠通道而起作用的。钠通道是许多主要国际制药公司的重要研究对象，其结构是学术界和制药行业共同关心的问题。

研究组致力于电压门控离子通道的结构生物学研究已有十年，取得了一系列重要成果，包括细菌钠通道NavRh的晶体结构(张等，2012)。在过去的两年中，世界上第一个与钠通道具有同源性的真核细胞电压门控钙通道复合物Cav1.1 (Wu等，2016)被相继报道。吴等，2015)和NavPaS(沈等，2017)，第一个真核细胞钠通道，为了解真核细胞电压门控离子通道的结构和功能提供了重要的基础。

在这项最新的研究中，颜宁研究小组首次报道了真核生物钠通道复合物Nav1.4-β1的冷冻电子显微镜结构，其总分辨率为4.0，中心区域的分辨率约为3.5，氨基酸侧链在大多数区域清晰可见。这种蛋白质来自电鳗，电鳗有一种特殊的肌肉组织，叫做电鳗，当受到刺激或被猎杀时，它会发出强电流。电流产生的基础是钠通道的瞬时激活。因此，该器官富含钠通道，其序列在人类的九个亚型中最接近钠1.4，故命名为钠1.4。值得一提的是，电鳗钠通道是历史上第一个纯化克隆的钠通道。它已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，该蛋白一直是结构生物学的研究热点。

在本研究中，研究组成员使用特异性抗体从电鳗的电板组织中纯化出Nav1.4-β1复合物。通过对纯化条件和样品制备条件的不断探索和优化，获得了稳定、均一的蛋白质样品，进一步制备了高质量的冷冻电镜样品。最后，利用冷冻电子显微镜技术对其高分辨率三维结构进行了分析。与之前分析的导航系统相比，该结构显示出三个新的结构特征:

1)结构中含有辅助亚基β1，首次揭示了辅助亚基与α亚基的相互作用方式，有助于更好地理解β亚基对钠通道功能的调节机制；

2)与钠通道的快速失活相关的第三-第四连接片段的位置与先前的Cav1.1和NavPaS结构相比具有非常显著的位移，特别是与快速失活直接相关的IFM元件插入在中间通道结构域的内层和外层之间。这一新结构刷新了我们以前对钠通道失活机制的理解，这与历史上大量的电生理突变分析是一致的。本文提出了一种新的变构封闭机制)；用来解释钠通道的快速失活。

3)结构特征与预测的激活状态基本一致，这很可能揭示了处于开放状态的第一真核生物钠通道的结构。这的确是一个惊喜。因为钠通道蛋白在纯化后会很快失活，理论上很难甚至不可能捕获开放结构。对电子密度的进一步分析显示，一簇可疑的去污剂分子在细胞内门控区被阻断，有助于稳定钠通道的开放状态。因此，该结构作为一个整体很可能处于意外激活状态。这种罕见的构象有助于更好地理解电压门控离子通道最基本的机电耦合机制。此外，该结构还为基于该结构的药物设计和功能研究提供了全新的模板。

颜宁教授是这篇文章的通讯员。清华大学医学院博士后严阵，医学院副研究员周强，生命学院博士生王林，生命学院博士生吴建平是本文的合著者。清华大学冷冻电子显微镜平台雷建林博士负责数据收集。本研究得到了清华大学冷冻电子显微镜平台的和李的大力支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电子显微镜平台和清华大学高性能计算平台分别为本次研究的数据收集和数据处理提供支持。生命科学联合中心、北京结构生物学高级创新中心、科技部膜生物学国家重点实验室和基金委为本次研究提供了资助。

原始链接:http://www.cell.com/cell/fulltext/s0092-8674(17)30758-4

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沈，何鸿，周，庆，潘，x，李，z，吴，j，严，N. (2017)。接近原子分辨率的真核电压门控钠通道的结构科学355。

吴俊杰、阎、李、钱、陆、董、周、周、阎(2016)。3.6 A分辨率的电压门控钙通道Cav1.1的结构。自然537，19196。

吴俊杰、阎、李、阎、吕正南、董、阎(2015)。电压门控钙通道Cav1.1复合物的结构。科学(纽约，纽约350，aad2395。

张，谢，任，王伟，狄根平，阎，陈俊杰，陶，唐，王，王，长谷川，王，熊坂，何，等(2012)。NaChBac电压门控钠通道正离子的晶体结构。自然486，130-134。

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