赵岩课题组与合作者揭示人源N型电压门控钙离子通道CaV2.2的关闭态失活与药物调控机制

日期：2021-11-04　　浏览次数：4188

来源：大屯路15号

电压门控钙离子通道（CaV）广泛存在于人体中，与肌肉收缩、神经递质释放、疼痛感知等一系列重要生理过程密切相关。N型钙离子通道CaV2.2主要存在于神经细胞的突触前膜，可以控制神经递质的释放。此外，CaV2.2也参与了疼痛信号的传递，因此它也被视为止痛药筛选的重要靶标之一。电压门控通道存在三个典型状态：静息态、开放态和失活态。钙离子通道的失活状态是防止通道持续开放，避免了神经递质的持续释放或者肌细胞发生强直收缩。尽管电压门控钙离子通道的失活性质至关重要，但是这一机制的结构基础仍不明确。

2021年11月2日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组和北京大学药学院黄卓课题组，以及中国科学院物理研究所姜道华课题组在 Cell Reports 期刊上合作发表题为“Closed-state inactivation and pore-blocker modulation mechanisms of human CaV2.2”的文章，解析了电压门控钙离子通道CaV2.2复合物在未结合底物状态（apo）、结合多肽镇痛剂齐考诺肽状态、结合两个小分子药物状态下的高分辨率冷冻电镜结构。2021年7月，普林斯顿大学生化与分子生物学系的颜宁教授课题组在Nature上报道了CaV2.2复合物未结合底物和结合镇痛剂齐考诺肽的复合物结构。 

关闭态失活是少数电压门控钙离子通道所特有的性质。与开放态失活不同的是，CaV2.2在不能被激活的电压下，一部分通道直接进入失活状态。这对于短程突触可塑性以及神经递质释放的精确调控至关重要。本研究首次揭示了电压门控钙离子通道的关闭态失活（Closed-state inactivation）的结构基础。胞内侧W-helix存在于Domain I-II之间的连接区域，该螺旋中的第768位色氨酸（W768）的疏水侧链插入了CaV2.2关闭的胞内侧疏水门控区域，稳定了通道的失活状态。电生理实验表明，野生型CaV2.2展现出关闭态失活的现象。将W-helix删除或者引入W768Q突变之后，关闭态失活现象消失；同时，本文设计了关闭态失活后恢复实验，发现W-helix和 W768Q突变的CaV2.2通道能更快地从失活中恢复，进一步在电生理水平上验证了W-helix是介导CaV2.2关闭态失活特性的重要结构元件。

图1：电压门控钙离子通道CaV2.2的关闭态失活的结构基础

该研究还报道了多肽镇痛剂“齐考诺肽”、小分子抑制剂与CaV2.2的复合物结构。齐考诺肽结合在孔道结构域的上方，阻碍了钙离子接近选择性滤器。小分子抑制剂结合在选择性过滤器的下方，同样可以抑制钙离子的内流。这部分内容揭示了对于CaV2.2不同的抑制机理，为今后开发CaV2.2通道特异的治疗疼痛的药物奠定了结构基础。

中国科学院生物物理所赵岩研究员、北京大学药学院黄卓研究员和中国科学院物理所姜道华特聘研究员是本研究论文的共同通讯作者。生物物理所特别研究助理董艳丽博士、生物物理所博士研究生高逸伟和北京大学硕士研究生徐帅为本文的共同第一作者。中国科学院生物物理研究所生物成像平台为本研究提供了设备和技术支持。本研究获得了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金委员会项目的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124721014042