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Science:清华大学颜宁研究组揭示真核电压门控钙离子通道复合物Cav1.1的三维结构

摘要 : 12月18日,《Science》杂志上在线发表清华大学颜宁教授的一篇兔骨骼肌的Cav1.1复合物三维结构研究论文,

 12月18日,《Science》杂志上在线发表清华大学生命学院教授颜宁研究组以长文(Research Article)的形式发表题为《电压门控钙离子通道复合物Cav1.1的三维结构》(Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 complex)的研究论文,首次报道了真核生物电压门控钙离子通道的4.2埃分辨率的冷冻电镜结构,为理解其功能提供了重要的线索。

钙离子(Ca2+)是生物体内重要的第二信使,在肌肉收缩、神经信号传递、腺体分泌、基因转录调控以及细胞凋亡等众多生命过程中扮演重要角色。细胞内的Ca2+浓度一般远低于细胞外或者内质网中的钙库。电压门控钙离子通道响应细胞膜电位变化而激活,运输Ca2+进入细胞,进而引发一系列下游信号通路。

Cav1.1(也叫dihydropyridine receptor,DHPR)是最早被鉴定出的电压门控钙离子通道,主要位于骨骼肌细胞的横小管(transverse tubule),是肌肉兴奋收缩偶联(excitation-contraction(E-C)coupling)过程中的关键蛋白。骨骼肌细胞在兴奋信号作用下会导致膜电位的变化,Cav1.1 在感受膜电位变化后与肌质网膜上的RyR1蛋白发生相互作用,导致RyR1将肌质网中的Ca2+快速大量释放到肌细胞质中,进而引起骨骼肌收缩。

Cav1.1及其他电压门控钙离子通道是由四个亚基组成的蛋白复合体,分别为a1, a2d, b和g。其中a1亚基是钙离子通道亚基,负责运输Ca2+。它与电压门控钠离子通道(Nav)的结构相似,由一条肽链折叠成四个相似的结构域,每个结构域包含六根跨膜螺旋(S1-S6)。四组S5、S6以及他们之间的序列组成了钙离子运输通道(pore region),而每一个结构域中的S1-S4则形成电压感应器(voltage-sensing domains,VSDs)。Cav1.1的其他亚基不参与钙离子运输,但对通道的电压感受、电生理特征、以及细胞定位等有重要的调控作用,因此也被称为辅助性亚基(auxiliary subunits)。

电压门控钙离子通道与许多疾病相关联,如低钾性周期瘫痪(hypokalemic periodic paralysis)、心率紊乱(cardiac arrhythmia)、癫痫(epileptic seizure),等等,因此它们是重要的药物靶点。有很多小分子能够结合Cav的a1亚基,激活或者抑制其对 Ca2+运输能力。另外,目前已经上市的治疗癫痫症和神经痛的两种药物gabapentin和pregabalin就是作用在Cav的a2d亚基上。

尽管目前有钙(钠)离子通道原核同源蛋白晶体结构的报道,但它们的通道亚基是由四条相同的肽链组成的同源四聚体,并且没有辅助性亚基。因此为了更好地理解真核电压门控钙离子通道的结构与功能,诸多实验室一直致力于解析真核钙离子或钠离子通道的结构,但由于技术难度,此前只有低分辨(~20 Å)的电镜结构。

在最新的《科学》论文中,颜宁研究组另辟蹊径,探索了新的蛋白提纯方法,最终获得了性质良好的蛋白样品。利用单颗粒冷冻电镜方法,重构出了分辨率为4.2 Å的兔源Cav1.1蛋白复合物的三维结构,首次展示了Cav1.1各个亚基的相互作用界面和亚基内部结构域的分布情况,揭示了各个辅助亚基(a2d,b,g)调控离子通道亚基(a1)的分子机理,为理解真核 Cav和Nav的功能以及它们与疾病相关的机制提供了重要的结构基础。

至此,颜宁实验室已经解析了肌肉兴奋收缩通路上的膜蛋白,包括电压门控钠离子通道(细菌同源蛋白NavRh)、电压门控钙离子通道、以及最大的钙离子通道RyR1的结构,从而为理解这一基本生理过程的分子机理打下重要基础。

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图:Cav1.1的电镜密度图(左)和整体结构模型(右)

原文链接:

Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 complex

原文摘要:

The voltage-gated calcium channel Cav1.1 is engaged in the excitation-contraction coupling of skeletal muscles. The Cav1.1 complex consists of the pore-forming subunit α1 and auxiliary subunits α2δ, β, and γ. We report the structure of the rabbit Cav1.1 complex determined by single-particle cryo–electron microscopy. The four homologous repeats of the α1 subunit are arranged clockwise in the extracellular view. The γ subunit, whose structure resembles claudins, interacts with the voltage-sensing domain of repeat IV (VSDIV), wheras the cytosolic β subunit is located adjacent to VSDII of α1. The α2 subunit interacts with the extracellular loops of repeats I to III through its VWA and Cache1 domains. The structure reveals the architecture of a prototypical eukaryotic Cav channel and provides a framework for understanding the function and disease mechanisms of Cav and Nav channels.

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