真核生物电压门控钙离子通道冷冻电镜结构

清华大学医学院颜宁教授研究组在国际顶尖期刊《科学》（Science）上以长文（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埃）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埃的兔源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。

生命学院四年级博士生吴建平和医学院五年级博士生闫浈为本文共同第一作者；生命学院一年级博士生李张强参与样品制备和数据收集；闫创业博士为数据处理提供了帮助，颜宁为通讯作者。北京生命科学研究所董梦秋教授和卢珊参与质谱鉴定的合作。电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台，计算工作得到清华大学超级计算中心支持。颜宁是清华-北大生命科学联合中心研究员、膜生物学国家重点实验室成员、拜耳讲席教授，本工作获得科技部重大科学研究计划“真核生物跨膜运输蛋白的结构与机理研究”的专项支持。

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本文编自：清华大学

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真核生物电压门控钙离子通道冷冻电镜结构

本文编自：清华大学

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