清华在钠离子通道结构生物学研究取得突破

在国家自然科学基金创新研究群体项目、重点项目（项目编号：31621092，31630017）等支持下，国家杰出青年基金获得者、清华大学颜宁教授通过结构生物学研究，解析了带有辅助性亚基的真核生物电压门控钠离子通道复合体4.0埃分辨率的结构，并提出了钠离子通道快速失活（fast inactivation）的变构阻滞机制（allosteric blocking mechanism），相关研究成果以“Structure of the Nav1.4-β1 Complex from Electric Eel”（电鳗NaV1.4-β1复合体结构）为题，于7月27日在线发表在Cell上。

在人体中共有9种钠通道α亚型（分别命名为Nav1.1-1.9），特异性的分布于神经和肌肉组织中。细胞的钠通道具有重要的生理学功能，其异常会导致如痛觉失常、癫痫、心率失常等一系列神经和心血管疾病。至今为止，已经发现了1000多种与疾病相关的钠通道突变体。因此，钠通道作为许多药物设计的重要靶点，其复合物蛋白结构为学术界和制药界共同关注。

颜宁教授课题组多年来一直致力于电压门控离子通道的结构生物学研究，近年来在离子通道复合物的结构生物学研究方面取得了一系列重要成果，相继研究了来自细菌中的钠通道NavRh的晶体结构（2012年）、与钠离子通道有同源性的世界上首个真核电压门控钙离子通道复合物Cav1.1（2015年、2016年）、真核钠通道NavPaS 的高分辨率冷冻电镜结构（2017年）等，为理解真核电压门控离子通道的结构与功能提供了重要基础，同时也为药物研发及病理阐释做出了贡献。

最新发表的这篇文章所报道的电鳗（Electric Eel）EeNav1.4蛋白复合物，是首个被纯化并被克隆的钠通道，是钠通道功能研究的重要模型，其电生理特性曾被世界上多个课题组分别报道，通过与人源的电压门控钠离子通道氨基酸序列对比，人们认为EeNav1.4是最为接近的。颜宁教授课题组观察到EeNav1.4-β1复合物的开通道结构，这对于冷冻电镜技术研究电压门控钠离子通道来说，是出乎意料的。因为冷冻电镜下的样品膜电位为0mV，在这个条件下，电压门控钠离子通道应该处于被激活后的快速失活状态（关闭状态）。然而计算表明，通道的半径在2埃以上，完全足够钠离子通过。电子密度图谱显示，似乎有物质卡住通道，而导致解出开放通道的结构。而进一步通过比较，此次发现的EeNav1.4开通道结构和以前报导的NavPaS的闭通道结构，可以有助于更好的理解药物作用于重复折叠间的膜内开口（fenestration）的通道状态依赖性的分子机理。

EeNav1.4结构在第三第四重叠的跨膜螺旋区分辨率很高，可以清楚地看到氨基酸侧链的位置，通过分析α亚基重复折叠三和重复折叠四中S1-S4电压感受区的带正电荷侧链（赖氨酸与精氨酸）与其相对应的带负电侧链的相对位置，发现与0mV的环境相符，电压感受器都处于去极化（up）状态。β1亚基的整体结构就像一把斧子，胞外的免疫球蛋白官能团和跨膜螺旋分别是“斧头”和“斧柄”。而α亚基的重复折叠一的外环5和重复折叠四的外环6通过极性和静电作用分别像拇指和手掌一样与免疫球蛋白官能团相结合。而α亚基的重复折叠三的电压感受区S0和S2则通过疏水相互作用与“斧柄”相邻。通过观察在α亚基快速失活LFM官能序列（等同于Ile/Phe/Met （IFM） motif）空间位置结构，及其相互作用的结构和侧链，颜宁教授课题组提出假说，钠离子通道快速失活是LFM官能序列像楔子一样插入S4-S5 segments与S6之间，并通过异构化效应导致通道关闭，而非直接堵在离子通道的出口上。

该研究解出了适合电生理研究的电压门控钠离子通道蛋白与β1结合的结构。为进一步厘清钠离子通道快失活的分子机理，及β1亚基如何调节α亚基功能提供了重要的结构基础。

图. 电鳗钠离子通道EeNaV1.4-β1复合体冷冻电镜结构

（发布：）