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中国科学院赵岩/北京大学黄卓揭示R型电压门控钙离子通道CaV2.3的门控机制

日期:2023-02-06  浏览次数:8171

来源:iNature

电压门控钙离子通道(CaV)是神经系统中重要的分子元件。它通过感受神经元膜电位去极化,将电信号转换为钙离子内流,从而激活下游各种信号通路。中枢神经系统中存在着L、T、P/Q、N和R型钙离子通道,它们具有一些类似的结构和动力学特征,但在神经系统的信号转导中却发挥着不同的功能。其中,R型电压门控钙离子通道CaV2.3与大脑的突触可塑性、动作电位发放模式与疼痛感受密切相关。CaV2.3的功能失调也是癫痫、惊厥和神经发育障碍的重要致病因素。赵岩课题组一直关注电压门控钙离子通道的门控机制和药理学性质。前期的工作首次鉴定了胞内侧小螺旋W-helix是N型钙离子通道CaV2.2关闭态失活的结构元件,并揭示了齐考诺肽和其他小分子药物抑制CaV2.2通道活性的分子机理(Cell Reports, 2021 );阐明了T型钙离子通道在低电压下被激活的结构基础以及与多种临床药物结合的分子机制(Nat Commun, 2022)。

2023年1月31日,中国科学院生物物理研究所赵岩课题组与北京大学药学院黄卓课题组在国际学术期刊Nature Communications上合作发表题为Molecular insights into the gating mechanisms of voltage-gated calcium channel CaV2.3的研究论文,在前期工作的基础上,解析了人源R型钙离子通道CaV2.3复合物的高分辨率电镜结构(图a),并借助全细胞电压钳等一系列实验方法, 更进一步阐释了CaV2.3通道激活、关闭态失活(CSI)和开放态失活(OSI)的结构基础和调控机制。

电压门控钙离子通道存在三个典型的状态:静息态(关闭态)、开放态和失活态。通道感受膜电位的去极化并打开的门控过程称为激活(activation);通道对膜电位的去极化失去响应,孔区关闭,不再介导钙离子的内流的过程称为失活(inactivation)。关闭态失活和开放态失活是通道分别从静息态和开放态转移到失活态的门控过程。关闭态失活让通道不再响应连续而短促的膜电位去极化信号,抑制了神经元的过度兴奋或者强直放电,同时调节突触短程可塑性。开放态失活避免了钙离子过度跨膜运输引起的细胞毒性,也防止了神经元内外钙离子电化学梯度的消散。

CaV2.3的激活由四个存在差异的电压感受结构域(VSD)介导。研究者发现,CaV2.3的结构中,VSDII处于静息态,VSDI、VSDIII和VSDIV处于激活态。VSDI、VSDIII和VSDIV直接参与了通道的开放过程,而VSDII发挥了通道失活的调控作用。此外,胞内侧小螺旋W-helix上带有的正电氨基酸残基参与了关闭态失活的调控,在gate区域稳定了W-helix的结合。W-helix的上游存在一个具有柔性的、与W-helix序列相似的Pre-W-helix,它与W-helix竞争性地结合gate,调控了关闭态失活的发生与解除(图b–c)。当Pre-W-helix被删除后,关闭态失活显著增强(图c)。

该研究还鉴定出了影响CaV2.3开放态失活的重要分子内相互作用(图d)。CaV2.3的S6II螺旋带有负电,与带有正电的AID螺旋之间产生了静电相互作用。破坏这些相互作用显著改变了CaV2.3的开放态失活性质(图e)。CaV2.3激活和失活的门控分子机制在其他CaV通道上也存在普适性,上述研究成果为钙通道功能失调相关的疾病提供了结构和电生理学证据支持,并让基于结构的创新药研发成为了可能。

(a) CaV2.3-α2δ1-β1复合物的3.1 Å电镜结构。(b) CSI发生和解除于通道的不同状态。在CSI发生时,Pre-W-helix竞争性地抑制了W-helix与gate的结合。(c) 使用一连串动作电位序列(AP trains)刺激通道时,CSI的存在使通道对每次动作电位的响应逐渐减弱。W-helix缺失突变体(Δw-helix)的CSI显著减弱;Pre-W-helix缺失突变体(Δpre-w-helix)的CSI显著增强。(d) 参与了开放态失活的静电相互作用。S6II螺旋上带正电的氨基酸残基以红色标注。(e) 突变体之间的OSI差异。与WT相比,R371E打开后失活速度加快(OSI增强),R590E打开后失活速度减慢(OSI减弱)。

中国科学院生物物理所赵岩研究员和北京大学药学院黄卓研究员是本研究论文的共同通讯作者。生物物理所博士研究生高逸伟、北京大学博士研究生徐帅和北京脑科学与类脑研究中心博士后崔晓丽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。本研究获得了国家重点研发计划、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和中国脑计划的资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36260-2