当地时间2019年2月14日,颜宁研究组在《科学》()背靠背在线发表了题目分别为《μ-芋螺毒素阻断人源电流门控钠离子通道Nav1.2的分子机理》(basisforporeofhumanNa+Nav1.2bytheμ-KIIIA)和《人源电流门控钠离子通道Nav1.7与辅助亚基和植物毒素复合物的结构》(ofhumanNav1.7inwithand)的两篇研究长文。
两篇文章分别解析了人源电流门控钠离子通道(以下简称钠通道)Nav1.2与其特异性阻断毒素μ-芋螺毒素KIIIA复合物和人源钠通道Nav1.7与其特异性调节毒素ProTx-II或-IV复合物的冷藏电镜结构,帧率分别为3.0和3.2埃(1埃=0.1纳米),为深入理解钠通道工作机理、疾病突变致病机理和特异性毒素与其互相作用机理提供了分子基础,同时为针对钠通道的氨基酸类抗生素研制提供了可靠模板。
两篇文章在线发表后钠离子钾离子通道阻滞剂,颜宁也第一时间在微博上表示了祝贺:
1:含辅助亚基和植物毒素的人源Nav1.7通道复合体结构
在人电流门控钠(Nav)通道的九种亚型中,由SCN9A编码并在外周觉得神经元中高抒发的Nav1.7与腹痛综合征有直接关系。Nav1.7的突变出现在许多肿胀综合征中,包括极其肿胀障碍等。Nav1.7的精确结构模型将有助于这一有前途的目标的抗生素发觉。
Nav1.7-PT和Nav1.7-HS的总体结构
真核细胞人Nav通道具有较高的序列相像性。动物、电鳗和人类具有代表性的NaV通道的冷电镜结构阐明了核心α亚基的相同结构。一个单一的氨基酸链,即α亚基,折叠成4个同源重复序列,每位重复包含6个跨膜螺旋,命名为S1-S6。每位重复序列中的S1-S4片断构成电流传感器域(VSD),它附着在由S5和S6螺旋所包围的中心离子导电孔域(PD)上。VSD和PD段符合在电流门控离子通道(VGIC)超家族中流行的规范域交换组装。S5和S6之间的序列包括选择性过滤器(SF),它被两个半膜穿透的再入孔螺旋P1和P2夹在一起。四个重复序列(Asp/Glu/Lys/Ala(DEKA)中相应的SF位点上的四个不同的残基是Na选择(21)的特点基序。
尽管α亚基本身就足以用于离子渗透的电流依赖性门控,但它受一个或多个β辅助亚基的调节。所有四个β亚基,即β1-β4,就会影响Nav1.7的通道特点,虽然β1和β2一般与Nav1.7α亚基共同抒发以进行生物化学表征。电鳗和人类的Nav1.4-β1复合物的结构阐明了α与β1(17,18)之间的互相作用细节,但其他β亚基的结合模式仍有待于结构上的阐释。
HWTX-IV和ProTx-Ⅱ的结合位点和潜在工作机制
在这儿,研究人员报导了人源Nav1.7-β1-β2复合物与孔阻滞剂和门控改性剂毒素(GMT)结合的冷藏电镜结构,其中河豚毒素与原毒素-Ⅱ结合,与-IV结合,整体帧率达到3.2Å。不仅VSDII的小位移外,这两种结构几乎相同,VSDII的S3-S4联接器以类似的形式容纳这两个GMT。另外一种原毒素-II坐落VSDIV中S3-S4链接器的底部。这种结构可能代表一种灭活状态,所有四个VSD“向上”和细胞内的门关掉。这种结构说明了机械理解Nav1.7的功能和癌症的途径,并为结构辅助镇痛药的发展奠定了基础。
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2:μ-圆柱毒素KIIIA阻断人源Na通道Nav1.2的分子基础
电流门控钠(Nav)通道负责动作电位的快速上升,因而在细胞膜激动性和联通号传递中起着至关重要的作用。NAV通道复合体一般由一个由SCNxA编码的核心α亚基(x=1-5对应于Nav1.1-NaV1.5,x=8-11,对应于Nav1.6-Nav1.9)和一个或两个辅助β亚单位组成。当α亚基足够用于电流传感器和离子选择性浊度时,β亚基调节α亚基的膜定位,调节Na电压的峰值,改变电流依赖性通道激活和失活的动力学。β亚基包括一个羧基(N)末端免疫球蛋白(Ig)结构域、一个单跨膜螺旋(TM)和一个胞内结构域,β1和β3通过非共价互相作用与α结合,而β2和β4分别与α(6-10)产生二硫键。
人Nav1.2-β2复合物与μ-圆柱毒素KIIIA结合的冷藏电镜剖析
来自电鳗和人类Nav1.4与β1的复合物的结构显示界面在这两个物种之间是保守的。洞察其他β亚基的辨识主要来自诱变剖析和个体β亚基的结构信息。
不仅β亚基外,NAV通道还遭到各类植物毒液中大量天然毒素的调节。一般有两类毒素,孔阻滞剂和门控改性剂毒素(GMT)。后者以胍类神经毒素河豚毒素(TTX)和(STX)为例,直接阻断离子浊度。前者一般是宽度从几个残基到几十个残基的肽,与电压敏感域(VSD)结合,改变通道的电流依赖的门控特点。一些肽类毒素,比如从锥形蜗牛中鉴别出的μ-圆柱毒素,也起着孔隙阻滞剂的作用。与小分子孔道阻滞剂相比,肽类阻滞剂具有更严格的NaV亚型特异性,因而因为NAV通道的病理生理意义,代表了毒理学意义的线索。
肽类毒素与NaV通道的结合形式不同
动物Nav通道的结构与TTX、STX和GMT,Dc1a互相配合,阐明了那些具有代表性的毒素的辨识和作用形式的分子基础。在本文中,我们介绍了β1和β2亚基的配合物Nav1.7的结构,以及(1)GMTsPro毒素II()和TTX(Nav1.7-PT)和(II)-IV(HWTX-IV)和STX(Nav1.7-HS)的结构。但是钠离子钾离子通道阻滞剂,关于NAV通道与肽类孔阻滞剂之间的分子辨识,还没有任何结构信息。
在这儿,研究人员报告了在辅助亚基β2存在下,人源Nav1.2与肽类孔阻滞剂μ-cono毒素KIIIA结合的冷藏电镜结构,帧率达到3.0Å。β2的免疫球蛋白(Ig)结构域通过二硫键与孔隙结构域的头部互相作用。16-残基KIIIA在重复I至Ⅲ中与胞外段互相作用,将Lys7放在选择性过滤器的入口。许多互相作用的残基是Nav1.2特有的,阐明了KIIIA特异性的分子基础。该结构为NaV通道特定亚型阻滞剂的合理设计构建了一个框架.
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(来源:复旦学院结构生物学高精尖创新中心陌陌公众号)