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颜宁等解析首个真核生物钠通道近原子分辨率结

发布时间:2017-12-04 阅读:

  严等人。分析第一个真核钠通道的原子近似解析结构 - 新闻 - 科学网

  2017年2月10日,延宁研究院,清华大学医学院,结构与生物先进创新中心发表题为“真核电压门控钠通道的近原子分辨率(真核电压门控结构钠通道在接近原子分辨率),世界上第一个报告了一个3.8分辨率的真核电压门控钠通道(以下简称钠通道)的冷冻电镜结构,以了解其作用机制和发病机制疾病奠定了基础。

  重要性

  20世纪40年代和50年代,英国科学家霍奇金和赫胥黎发现了动作电位;之后,电压门控钠通道(导航通道)被发现触发动作电位,而电压门控钾通道(Kv通道)结束动作电位,恢复休息。从那时起,科学界就迄今为止存在的钠通道的各个方面进行了系统的研究,可以说钠通道的研究是60年来电生理研究的重要基础。

  钠通道是所有动物中电信号的主要促成因素,电信号是控制一系列生理过程(如神经活动和肌肉收缩)的基础。在人体内共有九种已知的电压门控钠通道亚型,在不同的器官和生理过程中发挥作用。钠通道异常导致一系列神经,肌肉和心血管相关疾病,特别是癫痫,心律失常和持续性疼痛或不知情的疼痛;迄今为止在人体内发现的九种钠通道蛋白中已有千多种与已知疾病相关的多点突变,此外,钠通道也是许多局部麻醉药的直接靶标,自然界也有大量的神经毒素,许多蛇毒液,蝎毒,蜘蛛毒素等作用于钠离子通道,产生不良后果。

  钠通道是许多国际制药公司的研究对象,具有巨大的制药前景。获得钠通道的精细立体结构对于理解其如何工作和药物是至关重要的。

  技术难度

  除了通常与膜蛋白有关的技术困难之外,还有几个额外的障碍难以克服,以解决高分辨率的真核钠通道的三维结构。

  首先,让蛋白质样品更难。真核钠离子通道蛋白全长约2000个氨基酸,难以像电压门控钾通道一样大量进行基因重组,内源性钠通道含量通常很低,与电压门控钙很相似。离子通道直接从生物组织中提纯了足够的生物样品,为结构解析提供了高质量的蛋白质。

  其次,钠通道从肽链折迭,具有四个假对称特征。钠通道难以结晶或利用低温电子显微镜获得结构比homotetrameric钾通道;它们不像钙离子通道那样与辅助亚基形成较大分子量的稳定复合物,从而增加了其利用电子显微镜分析难题的结构。

  最后,真核钠通道含有更灵活的区域和各种翻译后修饰,这些都对其结构阐明提出了很大的挑战。

  因此,早在2003年,真核钠通道的结构生物学就远远落后于获得第一晶体结构的电压门控K +通道。全球数十个研究团队,包括欧洲,美国,日本和日本正在积极尝试获得真核钠通道的第一个高分辨率结构。

  突破点

  在最新的“科学”论文中,延宁研究小组成功克服了上述瓶颈,获得了优质蛋白质样品,并采用单颗粒冷冻电镜法,重建了最清晰的区分绝大多数的三维结构真核钠离子通道侧链(命名为NavPaS)。延宁研究小组利用电镜研究,但相反,放弃追求大分子量蛋白质,并利用序列分析来选择最短的真核钠离子通道长度,成功利用重组技术获得较高的表达,钠通道蛋白稳定和统一的美国蟑螂(最重要的电生理模型之一)。这种结构分辨率为理解离子选择性,钠离子通道的电压依赖性激活和失活性质以及配体抑制机制提供了重要的分子基础,为解释过去60年的大量实验数据提供了结构模板,并提供了分子配体奠定了发展的基础。

  研究小组

  这项研究是在一个年轻的团队的帮助下完成的。沉怀宗博士清华大学五年级学生,医学院副研究员周强,医学博士后潘晓静,生命学院二年级研究生李章强,五年级学生吴建平等。本研究由清华大学低温电子显微镜平台的雷建林博士,李晓梅博士和李晓敏博士提供支持,资料收集于清华大学于2009年购买的Titan Krios冷冻镜。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学基础研究平台和清华大学高性能计算平台分别支持本研究的数据采集和数据处理,科技部,纪委和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为本研究提供资金支持。帮助清华大学医学院和生命学院肖白龙,熊伟,陶清华,塞西莉亚Canessa等实验室。严宁是清华大学医学院拜耳教授,霍华德休斯医学院国际青年科学家。

  十年铸剑

  值得一提的是,鄢宁自2007年以来,清华大学医学院成立实验室就开始了电压门控Na +和Ca 2+通道结构生物学的攻关,并于2012年在“自然” +通道NavRh处于去激活的晶体结构。此后,延宁研究小组首次报道了真核细胞电压门控钙通道Cav1.1的高分辨率结构,以了解相关生理过程(包括但不限于肌肉收缩过程)的分子机制奠定了重要的基础。十年后,延宁实验室最终解决了真核电压门控钠通道的结构。此时,所有经典的电压门控阳离子通道都具有三维结构模板,由单链折迭的真核钙离子和钠离子通道结构是由国际领先的延宁实验室首先获得的。

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