清华颜宁教授Nature发文，解构钙通道的不懈追求
电压门控钙离子通道（Cav）在神经传导和肌肉收缩等关键生命过程中发挥着核心角色，其异常可导致神经、心血管、肌肉等多种系统的疾病，因此也成了一类重要的药物靶点。要想充分利用Cav进行药物开发，我们显然需要对其结构及功能特征进行全面了解。然而，由于技术手段等限制，在Cav的结构和功能领域仍有很多不解之谜。
不过，经过多年的研究，我们对于Cav已经有了一定的基本了解。在达到特定阙值的细胞膜电位下，Cav可被激活，从而让Ca从中穿过，进而引发一系列由Ca2+介导的信号通路。Cav可被分为Cav1、Cav2和Cav3三大家族。其中，Cav1由具有门控和跨膜通道功能的α1亚基，以及对其活性和动力学进行调节的辅助亚基构成，后者包括位于胞外的α2δ亚基、胞内的β亚基和跨膜的γ亚基。
在各种Cav1当中，Cav1.1是第一个基因被成功克隆出来的Ca2+电压门控通道，并成为了后续被发现的其他Cav结构和功能的研究原型。Cav1.1本身参与肌肉兴奋收缩偶联过程。骨骼肌细胞在兴奋信号作用下会发生膜电位的变化，这会促使Cav1.1与肌质网膜上的RyR1蛋白发生相互作用，导致RyR1将肌质网中的Ca2+快速大量地释放到细胞质中，进而引起骨骼肌收缩。
在之前的研究中，颜宁教授的团队曾经通过冷冻电镜技术，以4.2埃的分辨率解析了兔Cav1.1的结构，成为首个解构被解析的真核生物电压门控Ca2+通道蛋白。然而，由于分辨率有限，仍有相当部分的Cav1.1结构未被解析。
最近，颜宁教授的团队取得关键突破，通过改进实验条件，将解析Cav1.1结构的分辨率提高到了3.6埃，从而揭示了这一重要的离子通道蛋白之前尚未解析的工作机理细节。这一成果发表于近期的《Nature》期刊上。
在这一新的3.6埃结构图中，α2δ亚基的结构首次被基本完全地解出，由相互串联的四个cache结构域和一个von Willebrand因子A（VWA）结构域组成。
研究者们还成功得到了具有门控和跨膜通道功能的α1亚基的原子模型。在该模型中，α1亚基处于封闭状态，由一个核心结构域（pore domain）、四个电压感受结构域（VSDI-VSDIV）和位于细胞内侧的α1亚基相互作用（AID）结构域组成。
其中，四个VSD的组成相似，均由六根跨膜螺旋组成（S1-S6），不过在具体的构象上又不尽相同。感受电压的氨基酸残基均位于S4上的一侧，多达六个（R1-R6），主要为精氨酸和赖氨酸。在这六个氨基酸当中，有四个（R1-R4）均位于门控电荷转移中心内具有高度保守性和封闭性的苯丙氨酸残基的上方，更加接近于细胞外侧，因此处于所谓的“去活化”或“向上”的状态。这说明，此次解出的Cav1.1结构很可能是处于非活化的状态。
在核心结构域中，伸向细胞外侧的环状结构由环内的二硫键稳定，以此在离子通道中的“选择性滤器”（selectivity filter）上方形成了一个带窗口的穹顶结构。其中，“窗口”部位富含带负电的氨基酸残基，因此可能是Ca2+进入选择性滤器的主要入口。同时，“穹顶”的另一部分为辅助性的胞外α2δ亚基提供了结合位点。而在选择性滤器下方，则有着典型的疏水性侧入口（side portal）结构，可与细胞膜中的脂质分子稳定结合，并将核心结构域与细胞质组分完全隔开。
此外，研究者们揭示了同样跨膜的γ亚基结构及其与α1亚基相互作用的许多新信息。γ亚基除了已知的四个跨膜螺旋（TM1-TM4）之外，还有位于细胞外侧的一个β-折叠结构，以及分别位于亚基N端和C端的两段位于细胞内侧的环。其中，γ亚基的TM2和TM3通过与α1亚基VSDIV的S3和S4的疏水相互作用，将两亚基结合在一起。此外，γ亚基和α1亚基细胞内侧还可能通过氢键让二者进一步结合在一起。
不过，尽管从4.2埃到3.6埃已经是具有重大意义的进步，β亚基的结构仍然没有在3.6埃的结构图中显示出现。为此，研究者们对Cav1.1蛋白颗粒进行了进一步的三维结构分类，从中得到两组颗粒，并以此又构建了两个分辨率为3.9埃的结构图，从而成功地解出了位于胞内的β亚基的结构。同时，α1亚基的胞内部分也更加清晰的显示了出来。
结果显示，α1亚基的I-II和III-IV接头螺旋（linker helix）分别与β亚基和α1亚基C末端结合。此外，在上述两种3.9埃结构图中，β亚基和与之接近α1亚基部分的位置有着显着的不同，这提示着Cav1.1中可能的构象转变模式。
颜宁教授课题组的工作为我们首次提供了一个较为完整的Cav1.1通道蛋白的近原子结构模型，为对肌肉兴奋收缩偶联过程进行根本性的解读提供了基础。不仅如此，Cav1.1通道蛋白结构的成功解析使得与之进化上相近的Ca2+或Na+离子通道蛋白的同源建模和工程改造成为可能，为解读这两类通道蛋白功能和相关病理提供可行的三维结构模型，并为基于上述结构的药物设计提供了重要基础。
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