顏寧研究組在《細胞》發文報導電鰻激活態電壓門控鈉離子通道Nav1.4與β1複合物三維結構
7月20日，生命中心顏寧研究組在《細胞》（Cell）期刊在線發表題為《來自電鰻的電壓門控鈉離子通道Nav1.4-β1複合物結構》（Structure of the Nav1.4-β1 complex from electric eel）的研究論文，首次報導了帶有輔助性亞基的真核生物電壓門控鈉離子通道複合物可能處於激活態的冷凍電鏡結構。該成果是電壓門控離子通道（voltage-gated ion channel）的結構與機理研究領域的一個重要突破。
圖1. 電壓門控鈉離子通道Nav1.4-β1複合物結構示意圖
電壓門控鈉離子通道（以下簡稱「鈉通道」）位於細胞膜上，能夠引發和傳導動作電位，參與神經信號傳遞、肌肉收縮等重要生理過程。顧名思義，鈉通道感受膜電勢的變化而激活或失活。對於可激發的細胞，細胞膜兩側由於鈉離子、鉀離子、鈣離子、氯離子等離子的不對稱分布，產生跨膜電勢差。在靜息狀態下，細胞膜內電勢低，膜外電勢高，3-5納米厚的細胞膜兩側電勢差大概為-70毫伏左右。通常情況下，鈉通道在細胞膜去極化狀態，也就是細胞內相對電勢升高時激活（即鈉通道中心通透孔道打開，鈉離子由高濃度的胞外側流向胞內），從而引發動作電位的起始；而其又具備特殊的結構特徵，使之在激活的幾毫秒內迅速失活，從而保證通過與鉀離子通道的協同作用結束動作電位，以及由鈉鉀泵介導的靜息電勢的重建，為下一輪的動作電位產生做好準備。
真核生物的鈉通道主要由負責感受膜電勢控制孔道開閉進而選擇性通透鈉離子的α亞基和參與調控的β亞基組成。在人體中共有9種鈉通道α亞型(分別命名為Nav1.1-1.9)和4種β (β1-4)亞基，特異分布於神經和肌肉組織中。由於其重要的基本生理功能，鈉通道的異常會導致諸如痛覺失常、癲癇、心率失常等一系列神經和心血管疾病。至今為止，已經發現了1000多種與疾病相關的鈉通道突變體。另一方面，很多已知的包括蠍毒、蛇毒、河魨毒素在內的生物毒素以及臨床上廣泛應用的麻醉劑等小分子均通過直接作用於鈉通道發揮作用。鈉通道是諸多國際大製藥公司研究的重要靶點，其結構為學術界和製藥界共同關注。
顏寧研究組十年來一直致力於電壓門控離子通道的結構生物學研究，取得了一系列重要成果，包括來自細菌中的鈉通道NavRh的晶體結構 (Zhang et al., 2012)。而近兩年更是相繼報導了與鈉離子通道有同源性的世界上首個真核電壓門控鈣離子通道複合物Cav1.1 (Wu et al., 2016; Wu et al., 2015)以及首個真核鈉通道NavPaS (Shen et al., 2017)的高解析度冷凍電鏡結構，為理解真核電壓門控離子通道的結構與功能提供了重要基礎。
在該最新研究中，顏寧研究組首次報導了真核鈉通道複合物Nav1.4-β1的冷凍電鏡結構，整體解析度達到4.0 ，中心區域解析度在3.5 左右，大部分區域胺基酸側鏈清晰可見。該蛋白來自於電鰻（Electrophorus electricus），它具有一個特化的肌肉組織稱為電板（electroplax），在受到刺激或捕獵時能夠放出很強的電流；電流產生的基礎即為鈉通道的瞬時激活。因而該器官富集鈉通道，其序列與人源九個亞型中的Nav1.4最為接近，因此命名為EeNav1.4。值得一提的是，電鰻中的鈉通道正是歷史上首個被純化並被克隆的鈉通道，已經具有半個世紀的研究歷史，是鈉通道功能和機理研究的重要模型，因此該蛋白一直以來也是結構生物學的研究熱點。
在本研究中，研究組成員利用特異性的抗體從電鰻的電板組織中提純出Nav1.4-β1複合物，通過對純化條件和制樣條件的不斷摸索和優化，獲得了性質穩定且均一的蛋白樣品，並進一步製備出優質的冷凍電鏡樣品，最終利用冷凍電鏡技術解析出其高分辨三維結構。與此前解析的鈉通道NavPaS相比，該結構展示了三大新的結構特徵：
1）該結構中帶有輔助性亞基β1，首次揭示了輔助性亞基與α亞基的相互作用方式，有助於更好的理解β亞基對鈉通道功能的調控機制；
2）與鈉通道快速失活相關的III-IV 連接片段的位置與之前在Cav1.1和NavPaS結構相比有一個十分顯著的位移，特別是與快速失活直接相關的IFM元件插入到了中間孔道結構域的內外兩層之間。這一新的結構刷新了我們之前對鈉通道失活機制的理解，卻與歷史上大量基於電生理的突變體分析十分吻合。本論文就此提出了一個解釋鈉通道快速失活的新的變構阻滯機制（allosteric blocking mechanism）；
3）該結構特徵與預測的激活態基本吻合，極有可能揭示了首個處於開放狀態的真核鈉通道的結構，實屬意外之喜。由於鈉通道蛋白在提純後會很快失活，理論上處於開放狀態的結構是極難甚至不可能捕捉到的。進一步分析電子密度發現，有一團疑似去垢劑分子的密度堵在胞內門控區域，幫助穩定了鈉通道的開放狀態。因此該結構整體呈現的極有可能是完全沒有預料到的激活態。這一難得的構象有助於更好地理解電壓門控離子通道最基本的機電耦合機理問題（electromechanical coupling mechanism）。除此之外，該結構還為基於結構的藥物設計和功能研究提供了全新的模板。
顏寧教授為本文的通訊作者。清華大學醫學院博士後閆湞、醫學院副研究員周強、生命學院博士生王琳、生命學院博士畢業生吳建平為本文的共同第一作者；清華大學冷凍電鏡平臺雷建林博士指導數據收集。本研究獲得了清華大學冷凍電鏡平臺工作人員李小梅和李曉敏的大力支持。國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平臺和清華大學高性能計算平臺分別為本研究的數據收集和數據處理提供了支持。生命科學聯合中心、北京市結構生物學高精尖創新中心、膜生物學國家重點實驗室、科技部、基金委為本研究提供了經費支持。
相關論文：
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.
Wu, J., Yan, Z., Li, Z., Qian, X., Lu, S., Dong, M., Zhou, Q., and Yan, N. (2016). Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 at 3.6 A resolution. Nature 537, 191-196.
Wu, J., Yan, Z., Li, Z., Yan, C., Lu, S., Dong, M., and Yan, N. (2015). Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 complex. Science (New York, NY 350, aad2395.
Zhang, X., Ren, W., DeCaen, P., Yan, C., Tao, X., Tang, L., Wang, J., Hasegawa, K., Kumasaka, T., He, J., et al. (2012). Crystal structure of an orthologue of the NaChBac voltage-gated sodium channel. Nature 486, 130-134.
特別聲明：本文轉載僅僅是出於傳播信息的需要，並不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站註明的「來源」，並自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯繫轉載稿費等事宜，請與我們接洽。