Cell突破:姜道华等报道心脏中钠离子通道的开放态三维结构和门控机制

2021
09/16

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生物世界
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撰文 | 刘如楠

来源 | 小柯生命


2021年9月13日,中国科学院物理研究所软物质实验室 姜道华 特聘研究员与美国华盛顿大学William A. Catterall教授、郑宁教授合作,在 Cell 期刊在线发表了题为: Open State Structure and Pore Gating Mechanism of the Cardiac Sodium Channel (心脏中钠离子通道的开放态结构和门控机制) 的研究论文。

该研究解析了钠通道突变体Na V 1.5/QQQ处于开放状态的冷冻电镜结构,揭示了抗心律不齐药物普罗帕酮 (Propafenone) 与开放状态钠通道的结合位点。结合分子动力学模拟和膜片钳电生理等手段,从原子水平上阐明了钠通道开放状态、钠通道开放状态的药物阻断以及钠通道快速失活的分子机制。


在可兴奋细胞中,电压门控钠离子通道 Voltage-gated sodium channel, NaV1.1-1.9 负责产生和传播动作电位,参与许多生理进程,如神经信号传递、骨骼肌和心肌收缩、痛觉感知等。

其中Na V 1.5作为心脏中最主要的钠离子通道,负责启动和维持心脏有节律地跳动。Na V 1.5发生突变或功能异常会引起心律不齐,威胁人类生命健康。因此, NaV1.5是临床上一类常用的抗心律不齐药物 (Class I Anti-arrhythmic Drug) 的直接靶点

鉴于Na V 1.5在维持心脏有节律跳动中发挥了极其重要的作用,阐明Na V 1.5的结构与功能的关系具有重大意义。过去几年,研究人员陆续报道了高等生物Na V 1.1、Na V 1.2、Na V 1.4、Na V 1.5和Na V 1.7处于失活态的高分辨率冷冻电镜 (cryo-EM) 三维结构,然而,在钠通道发挥功能过程中的静息态和开放态的结构依然未知。

单通道电生理结果表明,真核钠离子通道开放是一种非常短暂的瞬时状态,通常不超过100微秒。如何将真核钠通道稳定在开放状态并解析其结构非常具有挑战性。
 
2020年初,美国华盛顿大学博士后姜道华 (现为中国科学院物理研究所软物质实验室特聘研究员) ,与William A. Catterall教授和郑宁教授在 Cell 发表了题为: Structure of the cardiac sodium channel 的论文, 首次报道了心肌细胞钠通道NaV1.5的结构,展示了临床药物分子与钠通道的相互作用

2021年1月,该团队在 Nature Communications 期刊发表了题为: Structural basis for voltage-sensor trapping of the cardiac sodium channel by a deathstalker scorpion toxin 论文。该研究报道了 NaV1.5结合蝎毒素LqhIII复合物结构,揭示了蝎毒素LqhIII的结合会把NaV1.5的第四个电压感应结构域稳定在一种中间态,从而弱化了IFM motif的结合导致钠通道更倾向于打开

在本项研究中,作者首先将突变IFM/QQQ引入Na V 1.5,发现该突变能有效阻断钠通道的快速失活,所获得的突变体Na V 1.5/QQQ在被激活后能长时间保持开放状态。为了克服Na V 1.5/QQQ突变体在表达时因为持续激活导致的细胞毒性,作者筛选发现普罗帕酮可以有效缓解细胞毒性。随后利用冷冻电镜解析了高分辨率开放态钠通道的结构,从原子水平上揭示了钠通道快速打开、快速失活和开放态阻断的结构基础。

与此前报道的Na V 1.5c结构相比,在Na V 1.5/QQQ结构中,由于亲水性的QQQ脱离原本容纳疏水IFM的疏水性结合口袋,导致胞内侧的激活门孔扩大。通过对比水合钠离子的大小,作者推测该门孔的直径足以让水合钠离子自由通过,从而断定该结构处于开放状态 (如下图所示)


为了进一步验证所获得的Na V 1.5/QQQ结构处于开放状态的假设,作者对Na V 1.5、Na V 1.5/LqhIII和Na V 1.5/QQQ的结构进行了分子动力学模拟。发现Na V 1.5/QQQ的激活门与Na V 1.5、Na V 1.5/LqhIII的不同,有一半以上的概率会处于充满水的状态,呈现出与此前报道的开放状态的原核钠通道Na V Ab/1-226相似的双峰分布。更重要的是,通过分子动力学模拟计算出的开放状态Na V 1.5/QQQ通透钠离子的传输速率与电生理单通道实验值相近。分子动力学模拟结果支持Na V 1.5/QQQ结构处于开放状态。

类似于局部麻醉药物,抗心律不齐药物被认证为作为阻断剂结合在钠通道的中央腔中。作者发现,普罗帕酮可以穿过开放状态下Na V1.5的激活开口,到达中央腔的高亲和力结合位点,特异性地阻断Na V 1.5。电生理结果表明,在有普罗帕酮的情况下,Na V 1.5/QQQ激活后先达到最大电流,然后电流被抑制,说明普罗帕酮倾向于结合开放状态的钠通道。这些结果证实了普罗帕酮是一种开放状态的阻断剂。


综上所述,作者通过解析心肌细胞钠离子通道突变体Na V 1.5/QQQ开放状态以及其与抗心律不齐药物普罗帕酮复合物结构,阐释了钠离子通道开放状态和快速失活的机制,为理解抗心律不齐药物如何阻断开放状态的Na V 1.5以及开发新的抗心律不齐药物提供了结构基础。

姜道华 特聘研究员为该论文的第一作者和共同通讯作者,William A. Catterall教授、郑宁教授为共同通讯作者。
 
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.021


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关键词:
Cell,普罗帕酮,钠离子,通道,状态,药物,心律,论文

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