解析出三種離子通道的三維結構

2021-01-15 生物谷

2017年2月5日/生物谷BIOON/---利用一種最新的對分子進行深度冷凍的成像技術，來自美國洛克菲勒大學Roderick MacKinnon實驗室的研究人員以史無前例的細節構建出三種離子通道的三維結構。這三種離子通道為特定的離子跨越細胞的保護膜提供通路。鑑於這些離子在允許細胞彼此之間進行通信的生化信息傳遞中發揮著至關重要的作用，這些發現為理解肌肉如何收縮、心臟如何維持它的節律和很多其他的生理過程產生影響。

為了獲得這三種離子通道的結構，研究人員利用安裝在伊芙琳-格魯斯-理柏冷凍電子顯微鏡資源中心（Evelyn Gruss Lipper Cryo-Electron Microscopy Resource Center）的儀器捕獲和收集這些離子通道分子在一層薄冰中凍存時的圖片。利用這些數據，他們在單個原子的水平上解析出這些離子通道的三維結構。洛克菲勒大學分子神經生物學與生物物理學實驗室主任John D. Rockefeller教授說，「多虧能夠直接檢測用於可視化觀察樣品的電子的儀器，結構生物學已發生真正的變革。利用這種技術，基於單個隨機定向的蛋白分子的圖片解析出它們的高解析度結構是可能的。」獲得這些結構使得研究人員研究長期存在的關於這些分子如何發揮功能的問題、對它們的生物學機制產生新的認識和潛在地協助開發治療多種疾病的方法成為可能。

氯離子通道：微小變化，另一種工作方式

圖片顯示微小的變化，另一種工作方式，來自洛克菲勒大學分子神經生物學與生物物理學實驗室。


氯離子通道CLC打開，被動地允許離子通過。然而，與它存在較高同源關係的另一種離子通道以另一種方式轉移氯離子：用氫離子交換它。利用它們的結構數據，MacKinnon實驗室博士後研究員Eunyong Park和研究專家Ernest B. Campbell發現有助解釋這兩種類似的離子通道如何以不同的方式工作的細節：一種環形結構在允許這些離子通過的孔內的位置。在這種交換性的離子通道中，已知這種環形結構部分上阻斷這些離子的通路。在這種新的CLC結構中，他們觀察到這種環形結構向下翻轉，從而允許氯離子更加自由地通過。相關研究結果發表在2017年1月26日那期

Nature

期刊上，論文標題為「Structure of a CLC chloride ion channel by cryo-electron microscopy」。

「起搏器」通道：如何逆轉反應

圖片顯示如何逆轉反應，來自洛克菲勒大學分子神經生物學與生物物理學實驗室。


通過允許鉀離子和鈉離子跨越細胞膜，HCN通道引發節律性的電信號產生，包括心臟中的起搏器電流。在類似的通道當中，HCN通道對電勢變化作出逆向反應使得它與眾不同。當細胞增加一種信號時，其他的通道會打開，但是HCN通道會關閉。當細胞返回靜止時，不同於其他的通道，HCN通道會打開。洛克菲勒大學分子神經生物學與生物物理學實驗室博士後研究員Chia-Hsueh Lee發現導致這種差異的特徵，如相比於存在同源關係的鉀離子通道（紅色），HCN通道的電勢檢測區（藍色）內存在一個超長的臂狀結構。在電脈衝開始產生之後，這種更長的臂狀結構可能讓HCN通道關閉時的孔保持穩定。相關研究結果發表在2017年1月12日那期

Cell

期刊上，論文標題為「Structures of the Human HCN1 Hyperpolarization-Activated Channel」。

Slo2.2：抑制興奮性神經元的開關

圖片顯示抑制興奮性神經元的開關，來自洛克菲勒大學分子神經生物學與生物物理學實驗室。


為了阻止高頻電脈衝失去控制，離子通道Slo2.2允許鉀離子從細胞中流出，從而加以制止。它如此做是對一種信號產生期間鈉離子湧入細胞作出的反應。洛克菲勒大學博士後研究員Richard Hite和他的同事們已解析出Slo2.2關閉而且它的周圍不存在鈉離子時的三維結構。在一項新的研究中，Hite讓這種離子通道接觸它的不同濃度的觸發離子，以便確定它在一種特定的鈉離子濃度下同時發生的所有結構的分布。結果表明這種離子通道僅存在兩種構象：關閉構象和打開構象。因此，當它打開時，它會經歷一種顯著的轉變，類似於打開照明開關那樣。相關研究結果發表在2017年1月26日那期

Cell

期刊上，論文標題為「Structural Titration of Slo2.2, a Na+-Dependent K+ Channel」。

MacKinnon也是一名霍華德-休斯醫學研究所成員，2003年獲得諾貝爾化學獎。（生物谷 Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！點擊 獲取授權 。更多資訊請下載生物谷app.生物谷更多精彩盤點，敬請期待！參考資料：

1.Structure of a CLC chloride ion channel by cryo-electron microscopy.

Nature

, doi:10.1038/nature20812

2.Structures of the Human HCN1 Hyperpolarization-Activated Channel.

Cell

, doi:10.1016/j.cell.2016.12.023

3.Structural Titration of Slo2.2, a Na+-Dependent K+ Channel.

Cell

, doi:10.1016/j.cell.2016.12.030

4.

Lab charts the anatomy of three molecular channels

相關焦點

  • 科學家闡明一種離子通道蛋白結構—新聞—科學網
    安徽醫科大學基礎醫學院沈兵教授團隊與中科院合肥物質科學研究院強磁場中心王俊峰、周數研究團隊合作，在細胞離子通道研究領域取得重要進展，他們解析了Tim23
  • 研究解析溶酶體鈣離子通道TRPML3在三種不同狀態下的高解析度三維...
    研究人員通過使用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術，解析人源性溶酶體鈣離子通道TRPML3在關閉狀態、激動劑引發的開放狀態及酸性pH抑制狀態下的高解析度全長結構，揭示了前所未有的結構特徵，為研究該通道的激活及調控機制和生理功能提供了全新的結構基礎。胞吞途徑對胞內信號傳導及細胞生理反應具有重要作用。
  • 顏寧等解析首個真核生物鈉通道近原子解析度結構—新聞—科學網
    技術難度 除了作為膜蛋白通常具有的技術難度之外，對於真核鈉通道高解析度三維結構的解析還存在著幾道額外的很難逾越的「路障」。 首先，獲取蛋白樣品難。真核生物鈉離子通道蛋白全長包含約2000個胺基酸，很難對其像電壓門控鉀離子通道那樣進行大量的體外重組表達；內源鈉通道通常含量極低，很難像電壓門控鈣離子通道那樣從生物組織直接純化出足夠的用於結構解析的高質量蛋白樣品。 其次，鈉通道是由一條肽鏈摺疊而成，具有假四次對稱特徵。
  • 研究首次報導機械敏感性離子通道晶體結構
    來自清華大學生命科學學院，中科院上海藥物研究所等處的研究人員首次報導了一種具有陰離子選擇性的機械敏感性離子通道的晶體結構，並指出了一種β-barrel結構對這種通道離子選擇性的重要意義
  • 「中國科學報」闡明一種離子通道蛋白結構
    安徽醫科大學基礎醫學院教授沈兵團隊與中科院合肥物質科學研究院強磁場中心王俊峰、周數研究團隊合作，在細胞離子通道研究領域取得重要進展，他們解析了Tim23-pCoxIV複合物結構，並提出了Tim23通道蛋白跨膜轉運細胞質前體蛋白的分子機制模型。該成果日前發表於《細胞研究》。
  • 施一公團隊解析出超複雜蛋白結構
    識得該蛋白家族的「廬山真面目」難在多囊蛋白1擁有4302個胺基酸，包含11次跨膜螺旋，是一個超複雜的蛋白；同時多囊蛋白1與多囊蛋白2還會複合，增加了結構的複雜性。 系統摸索，獲得足夠的測試用量 「解析蛋白質結構的第一步是獲得足夠量且性質均一的蛋白質。」8月11日，論文作者之一的王廷亮博士告訴科技日報記者，「上鏡」前的準備工作耗時5年。
  • 大腦神經元中特殊的離子通道
    體內大多數細胞的表面都具有一些讓鉀離子通過的小孔。在控制這些正電荷離子流動的同時，這一通道幫助細胞維持了它的電平衡。
  • 解析病毒蛋白結構的三種方法
    因此，解析出病毒表面S蛋白的結構對指導藥物設計和選擇有重要意義。現在，能完成這個任務的方法主要有三個：冷凍電子顯微鏡、X射線衍射以及核磁共振。cryo-EM解析S蛋白可以概括為三步：提純並冷凍→電鏡拍照→算法重構三維模型。
  • 施一公團隊解析出超複雜蛋白結構 利於多囊腎病研究
    施一公團隊解析出超複雜蛋白結構 利於多囊腎病研究 原標題： 　　8月10日，《科學》雜誌在線刊發施一公團隊研究成果，首次解析了人源多囊蛋白1與多囊蛋白2形成的複合物的結構，解析度達到3.6 （埃，相當於10-10米）。
  • 人源鈉離子滲漏通道NALCN結構獲解析
    人源鈉離子滲漏通道NALCN結構獲解析 作者：小柯機器人 發布時間：2020/7/25 17:18:22 美國基因泰克公司Jian Payandeh等研究人員合作解析出人源鈉離子滲漏通道NALCN的結構。
  • ...發表長文報導首個真核生物電壓門控鈉離子通道近原子解析度結構
    技術難度除了作為膜蛋白通常具有的技術難度之外，對於真核鈉通道高解析度三維結構的解析還存在著幾道額外的很難逾越的「路障」。首先，獲取蛋白樣品難。真核生物鈉離子通道蛋白全長包含約2000個胺基酸，很難對其像電壓門控鉀離子通道那樣進行大量的體外重組表達；內源鈉通道通常含量極低，很難像電壓門控鈣離子通道那樣從生物組織直接純化出足夠的用於結構解析的高質量蛋白樣品。其次，鈉通道是由一條肽鏈摺疊而成，具有假四次對稱特徵。
  • 西湖大學閆湞等報導人源鈉漏通道高分辨結構
    ——鈉漏通道的高解析度三維結構（圖1，圖2）。圖2.人源鈉漏通道NALCN結構藝術圖（背景圖片來自網絡）儘管NALCN在生理和病理學中十分重要，相比與之拓撲結構相近的電壓門控鈉離子(Nav)和鈣離子（Cav）通道，其結構與功能的研究還不夠深入。
  • 蛋白質結構解析六十年
    然後在1978年，核磁共振NMR首次被用於蛋白質結構的解析；同年首個高精度病毒（西紅柿叢矮病毒）衣殼蛋白結構被解析。在1980年代，更多蛋白質結構被解析，蛋白質三維結構的描述越來越成熟，而且蛋白質結構解析也被公認成為藥物研發的關鍵步驟。在1983年，冷凍蝕刻的菸草花葉病毒結構在電子顯微鏡結構下得到描述。
  • 中國科學家解析出精細三維結構:非洲豬瘟病毒就長這樣!
    《科學》雜誌今晨發表中國科學家團隊研究成果：解析非洲豬瘟病毒顆粒精細三維結構，助力疫苗研發過去一年以來，非洲豬瘟已經被人所熟知，儘管它不會直接傳染人，北京時間今天凌晨2點，中國科學院生物物理研究所饒子和/王祥喜團隊和哈爾濱獸醫研究所步志高團隊在國際學術期刊《科學》雜誌上發表了學術論文，首次解析了非洲豬瘟病毒全顆粒的三維結構，新鑑定出非洲豬瘟病毒多種結構蛋白，揭示了非洲豬瘟病毒多種潛在的保護性抗原和關鍵抗原表位信息，提出了非洲豬瘟病毒可能的組裝機制，為開發效果佳、安全性高的新型非洲豬瘟疫苗奠定了堅實基礎。
  • 神經突觸高精度三維結構獲解析
    抑制性突觸中受體等蛋白分子與細胞器組織分布的三維可視化圖。深圳先進院供圖近日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）雙聘教授畢國強和劉北明團隊，與美國加州大學洛杉磯分校教授周正洪合作，通過發展前沿冷凍電鏡斷層三維成像技術，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構。相關研究成果發表於《自然—神經科學》。
  • 蛋白質結構解析六十年_資訊中心_儀器信息網
    然後在1978年，核磁共振NMR首次被用於蛋白質結構的解析;同年首個高精度病毒(西紅柿叢矮病毒)衣殼蛋白結構被解析。 　　在1980年代，更多蛋白質結構被解析，蛋白質三維結構的描述越來越成熟，而且蛋白質結構解析也被公認成為藥物研發的關鍵步驟。在1983年，冷凍蝕刻的菸草花葉病毒結構在電子顯微鏡結構下得到描述。
  • 科學家首次解析腦神經突觸高精度三維結構
    ，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構，研究成果發表在《自然—神經科學》上，這項工作對於探索腦神經系統的工作原理，破譯大腦運轉密碼具有重要意義。為了解析大腦複雜的結構組織，中心 「兵分兩路」，一路主攻全腦尺度上對大腦進行亞微米分辨的三維成像，重構完整的腦圖譜；一路主攻微觀上對腦神經突觸在分子乃至原子水平的超微結構解析。
  • 基於電子順磁共振方法的跨膜轉運蛋白三維結構解析研究獲進展
    基於電子順磁共振方法的跨膜轉運蛋白三維結構解析研究獲進展 2016-02-23 合肥物質科學研究院 YgaP的全長三維結構，並通過EPR動態特性、順磁增強分子易趨性分析、距離測量等分析方法研究了YgaP蛋白跨膜轉運酶催化產物硫氰根離子(SCN-)的分子機制。
  • 西湖大學閆湞等《自然通訊》發文報導人源鈉漏通道高分辨結構
    近日，西湖大學閆湞課題組與合作團隊在《自然通訊》（Nature Communications）在線發表了題為「Structure of the human sodium leak channel NALCN in complex with FAM155A」的最新研究論文，報導了一類新型人源離子通道——鈉漏通道的高解析度三維結構（圖1，圖2）。
  • 浙大冷凍電鏡中心首次解析蛋白質原子解析度結構—新聞—科學網
    浙江大學科學家通過單顆粒冷凍電鏡技術，第一次對人腦中的「剎車」——GABAA受體進行原子解析度的解析，得到了一種處於開放狀態的GABAA受體三維結構。該成果在《Cell Research》雜誌在線發表。 GABA是哺乳動物中樞神經系統一種重要的抑制性神經遞質，它們調節作用在於讓神經功能免於過度興奮或者過於敏感。