专访清华大学潘孝敬博士：人类电压门控钠通道结构和机理研究的“追光者”

电压门控钠通道是表达于细胞膜上的多亚基跨膜糖蛋白，由α和β亚基构成。α亚基属于功能单位，由4个同源跨膜结构域构成，每个结构域包含6个跨膜的疏水α螺旋（S1-S6）。S1-S4构成电压感受器，能够调控S5和S6中间的钠离子通道的亲水性，引起细胞去极化或超极化，完成信号跨膜传递。

电压门控钠通道结构示意图（源自参考文献）

在人体中α亚基有9种不同的亚型，分别被命名为Nav1.1-1.9。它们的异常失活或激活与多种严重的神经、心血管和肌肉系统疾病相关，比如Nav1.1和Nav1.5的点突变分别与癫痫和心律失常相关，Nav1.4的异常会导致肌肉僵直或高钾血型周期性瘫痪，Nav1.7或Nav1.8的异常会造成痛觉丧失或者疼痛异常等。因此，钠通道是重要的药物研发靶点，并且钠通道是蛇毒、蝎毒、河豚毒素、蜘蛛毒素等多种动物毒素的直接作用靶点。

经过70多年的研究，关于人源钠通道的工作机理的电生理学研究较多，但是获得微量蛋白质样品却极为困难，是结构生物学研究最富挑战的蛋白质之一。

潘孝敬 博士从进入颜宁教授实验室开始，就一直以结构生物学和电生理学为研究手段的开展电压门控钠离子通道相关研究，并取得非常优异的成绩。2017年潘孝敬作为共同第一作者，在 Science 杂志发表论文， 解析了世界上首个真核电压门控钠离子通道的原子分辨率结构 。紧接着在2018年，潘孝敬作为第一作者在 Science 杂志发表论文， 解析了首个人源电压门控钠离子通道Nav1.4与它的特异性调节亚基β1复合物的冷冻电镜结构 ，分辨率高达3.2埃 （即0.32纳米） ，为深入理解其作用机制及疾病相关突变的机理提供了可靠模板。

人源Nav1.4-β1复合物的冷冻电镜结构（源自参考文献）

在2017-2019年的三年间，潘孝敬以第一作者或共同第一作者身份在 Science 杂志发表了4篇论文，相继报道了第一个真核电压门控钠离子通道，第一个人源钠通道的原子分辨率结构，一系列结构的解析使潘孝敬博士成为电压门控钠离子通道的真正“追光者”。

在博士毕业后，潘孝敬成为清华大学结构生物学高精尖创新中心研究人员，继续电压门控钠离子通道方向研究，与颜宁团队继续合作，目前已在 Nature、Science、PNAS 等期刊上发表多篇研究论文。

2021年，颜宁团队与清华大学潘孝敬团队合作在 PNAS 背靠背发表两篇论文，分别为“ Structure of human Nav1.5 reveals the fast inactivation-related segments as a mutational hotspot for the long QT syndrome ”和“ Comparative structural analysis of human Nav1.1 and Nav1.5 reveals mutational hotspots for sodium channelopathies ”，揭示人体钠泵突变的机制，为癫痫和心脏病精准治疗带来结构生物学基础。

其中一篇文章报道3.3埃分辨率的Nav1.5通道结构，揭示快速失活相关区域长QT综合征的突变区域，为开发治疗心率失常、猝死等疾病的治疗提供结构生物学基础。另一篇文章报道人类 NaV1.1-β4复合体的冷冻电镜结构，比较结构分析数百个NaV1.1与NaV1.5的错义突变，发现70个位点是癫痫病共有的。两篇论文进一步揭示钠离子通道结构，并分析疾病相关突变结构，为长QT综合征、癫痫综合征等钠离子通道突变相关疾病的机制与治疗研究提供结构生物学基础。

2022年，颜宁、申怀宗、潘孝敬等研究团队在 Cell Reports 在线发表了题为： High-resolution structures of human Nav1.7 reveal gating modulation through α-π helical transition of S6IV 的研究论文，该研究报告了与β1和β2亚基复合的野生型Nav1.7的冷冻电镜结构，揭示了几个以前难以辨认的胞质片段，有助于开发新的镇痛剂。

在本期的义翘访谈中，我们特别邀请了清华大学结构生物学高精尖创新中心卓越青年科学家潘孝敬博士， 一起来跟我们聊一聊人类电压门控钠通道的结构和机理，希望这位行业领先的“追光者”能够给我们带来更多的科研分享以及科研感触。

参考文献 ：

1.Manuel de Lera Ruiz and Richard L. Kraus. Voltage-Gated Sodium Channels: Structure, Function, Pharmacology, and Clinical Indications. J. Med. Chem. 2015

2.Shen, H. *, Zhou, Q. *, Pan, X. *, Li, Z. *, Wu, J., and Yan, N. # (2017). Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution. Science 355. aal4326 (*, co-first author, # corresponding author)

3.Pan, X. *, Li, Z. *, Zhou, Q. *, Shen, H. *, Wu, K. *, Huang, X., Chen, J., Zhang, J., Zhu, X., Lei, J., Xiong, W., Gong, H., Xiao, B., and Yan, N.# (2018). Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with beta1. Science. eaau2486 (*, first author, # corresponding author)

4.Li, Z., Jin, X., Wu, T., Zhao, X., Wang, W., Lei, J., Pan, X. #, and Yan, N#. (2021b). Structure of human Nav1.5 reveals the fast inactivation-related segments as a mutational hotspot for the long QT syndrome. Proc Natl Acad Sci U S A 118. (# co-corresponding author)

5.Pan, X. *#, Li, Z. *, Jin, X. *, Zhao, Y. *, Huang, G. *, Huang, X., Shen, Z., Cao, Y., Dong, M., Lei, J., Yan, N#. (2021). Comparative structural analysis of human Nav1.1 and Nav1.5 reveals mutational hotspots for sodium channelopathies. Proc Natl Acad Sci U S A 118. (*, co-first author, # co-corresponding author)

6.Gaoxingyu Huang, Dongliang Liu, Weipeng Wang, ..., Xiaojing Pan, Huaizong Shen, Nieng Yan. High-resolution structures of human Nav1.7 reveal gating modulation through α-π helical transition of S6IV. 2022, Cell Reports