在神經和肌肉等可興奮細胞中，動作電位的產生是由電壓門控鈉離子通道（Voltage-gated Sodium Channels,NaVs）選擇性的向細胞內迅速地通透鈉離子引起的。在鈉通道激活並開啟幾個毫秒內，鈉通道會快速地自我關閉進入失活狀態。鈉通道快速失活的特性一方面避免了過多鈉離子流向細胞內，另一方面保證可興奮細胞在短時間內可以出現多重動作電位。
在漫長的進化過程中，哺乳動物有9種NaV亞型（NaV1.1-1.9）組織特異性地表達於可興奮細胞中。NaV1.1-3和NaV1.6主要分布在中樞神經系統細胞中；NaV1.4表達於骨骼肌細胞中；NaV1.5主要存在於心肌細胞中；NaV1.7-9分布於周圍神經系統中。真核細胞鈉通道具有相似的拓撲結構，共包含24根跨膜螺旋的四個同源性較高的結構域由胞內柔性肽鏈連接。儘管結構相似，但四個結構域響應膜電位的變化是非同步的，一般認為第一和第二個結構域率先因膜電位去極化受激活而打開通道，幾個毫秒後第四個結構域激活而關閉通道。這種四個結構域非同步的激活機制決定了鈉通道的快速打開和隨後的迅速失活。由於純化條件破壞了完整的細胞膜結構從而缺失膜電勢，因此發表的真核鈉通道結構都處於類似的構象——即電壓感應結構域激活狀態【1-5】。所以，第一和第二個結構域激活如何打開通道以及第四個結構域激活和鈉通道快速失活的偶聯機制並不清楚，需要更多處於不同構象的鈉通道結構來揭示。
近日，美國University of Washington的姜道華博士（現為中國科學院物理研究所軟物質實驗室研究員），與William A. Catterall教授和鄭寧教授在Cell 發表論文（詳見BioArt報導：Cell | 鄭寧課題組等解析鼠源NaV1.5結構），報導了心肌細胞鈉通道NaV1.5結合抗心律不齊藥物的複合物結構，展示了小分子藥物和鈉通道的結合位點。與鈉通道NaV1.2、NaV1.4和NaV1.7類似，快速失活的關鍵結構元件 IFM motif緊密地結合在細胞內側鈉通道開口旁邊的疏水口袋，而不是直接堵住通道開口，說明IFM motif變構調節鈉通道開關的機制。由於難以在純化後的蛋白樣品中建立膜電勢，鈉通道很難被穩定在其它構象，因此難以獲得多種不同構象下的鈉通道結構。有意思的是，為了自我保護或者捕獲獵物，一些動物進化出能夠抑制或者持續激活鈉通道的毒素。其中α-蠍毒素通常結合在鈉通道的第四個電壓感應結構域並抑制鈉通道快速失活，是研究鈉通道失活機制和獲取不同構象結構的有力工具(圖A)。
近日，美國University of Washington藥理學院的William A. Catterall教授和鄭寧教授團隊（姜道華博士為第一作者）在Nature Communications雜誌在線發表了題為Structural basis for voltage-sensor trapping of the cardiac sodium channel by a deathstalker scorpion toxin的論文。該研究報導了鈉通道NaV1.5結合蠍毒素LqhIII冷凍電鏡複合物結構，結合膜片鉗電生理和分子動力學模擬等手段，揭示了蠍毒素LqhIII的結合會把NaV1.5的第四個電壓感應結構域穩定在一種中間活化狀態，弱化了IFM motif的結合從而使鈉通道處於更傾向於打開的狀態。為理解鈉通道激活-失活偶聯提供了結構基礎。
作者首先篩選並確定了來自被稱為「噬魂金蠍」的北非黃蠍（Leiurus quinquestriatus hebraeus）的蠍毒素LqhIII能夠以很高的親和力（IC50 = 11.4 nM）結合NaV1.5。在純化鈉通道NaV1.5蛋白的過程中加入蠍毒素LqhIII並得到穩定均一的複合物，最終利用冷凍電鏡解析了NaV1.5/LqhIII的複合物結構（圖B）。作者發現只有一個LqhIII特異的結合在NaV1.5第四個電壓感應結構域，與之前廣泛報導的電生理實驗結果相吻合。由於蠍毒素LqhIII的高親和力和特異性，結合LqhIII後促使純化的NaV1.5第四個電壓感應結構域從激活狀態變成了一種中間激活態。NaV1.5第四個電壓感應結構域的構象變化向細胞內結構域傳遞，弱化了快速失活的關鍵結構元件 IFM motif的結合，從而使NaV1.5細胞的開口相較於不結合的構象變大（圖C）。分子動力學模擬結果表明NaV1.5/LqhIII複合物變大的開口雖然能夠增加其開口出現水分子的可能性，但大小並不足以通透完全水合的鈉離子。這說明蠍毒素LqhIII通過弱化IFM motif的結合從而抑制鈉通道的快速失活，而不是直接打開鈉通道。
綜上所述，該研究深入闡釋了真核鈉通道和蠍毒素相互作用，不同構象的電壓感應結構域，以及電壓感應結構域構象變化和快速失活的偶聯機制。
姜道華博士已於近期加入中國科學院物理研究所軟物質中心建立獨立實驗室，姜道華課題組計劃利用物理所新搭建的電鏡平臺（Titan 300 kv-Energy filter-K3 camera, Glacios 200 kv-K3 camera），結合生物化學，電生理以及分子動力學模擬等手段，研究生命活動中發揮重要功能的膜蛋白結構和功能機制。實驗室招收博士生，長期招聘聯合培養學生，博士後和研究助理，感興趣者請聯繫jiangdh@iphy.ac.cn。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20078-3
參考文獻：
1. Shen, H. et al. Structure of a eukaryoticvoltage-gated sodium channel at near-atomic resolution. Science355, eaal4326(2017).
2. Pan, X. et al. Structure of the humanvoltage-gated sodium channel Nav1. 4 in complex with β1. Science362,eaau2486 (2018).
3. Shen, H. et al. Structures of human Nav1.7channel in complex with auxiliary subunits and animal toxins. Science363,aaw2493 (2019).
4. Pan, X. et al. Molecular basis for pore blockade of humanNa+ channel Nav1.2 by the μ-conotoxin KIIIA. Science, eaaw2999 (2019).
5. Jiang, D. et al. Structure of the cardiac sodium channel. Cell180 (1),122-134 (2020).
來源：BioArt