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心肌鈣離子通道RyR2長(zhǎng)程門控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)成功被揭示
閱讀：1394 發(fā)布時(shí)間：2016-10-8據(jù)上海恒遠(yuǎn)生物了解到：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧研究組與加拿大卡爾加里大學(xué)（University of Calgary）陳穗榮研究組合作在《科學(xué)》（Science）期刊在線發(fā)表標(biāo)題為 “Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2”（2型Ryanodine受體RyR2門控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）的研究長(zhǎng)文,，揭示了目前已知分子量zui大的離子通道Ryanodine受體RyR2亞型處于關(guān)閉和開(kāi)放兩種狀態(tài)的三維電鏡結(jié)構(gòu),，探討了RyR2的門控機(jī)制。
RyR是廣泛存在于肌肉細(xì)胞（包括骨骼肌和心?。┘澳X組織中的鈣離子釋放通道,，其功能是在收到上游信號(hào)后,，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌質(zhì)網(wǎng)中的鈣離子迅速釋放到細(xì)胞質(zhì)中,，從而觸發(fā)進(jìn)一步的信號(hào)傳遞，比如導(dǎo)致肌肉收縮等等,。在哺乳動(dòng)物中,，RyR有三個(gè)亞型，其中RyR1和RyR2分別在骨骼肌和心肌的興奮-收縮偶聯(lián)中發(fā)揮作用,。所謂興奮-收縮偶聯(lián)（excitation-contraction coupling, ECC）是指上游的電壓門控鈣離子通道Cav在收到動(dòng)作電位刺激活化后激活RyR,，從而zui終導(dǎo)致肌肉收縮這一生理過(guò)程。肌肉收縮的生理重要性不言而喻,，因此從分子乃至原子水平理解興奮-收縮偶聯(lián)具有重大意義,。
RyR1與Cav1.1主要在骨骼肌中發(fā)揮作用，而心臟中對(duì)應(yīng)的RyR2和Cav1.2盡管序列于骨骼肌同源蛋白相近,，但它們的激活方式卻存在很大差異,。Cav1.1能夠與RyR1形成超級(jí)復(fù)合物，并通過(guò)構(gòu)象變化激活RyR1,；而RyR2的激活則主要依靠經(jīng)Cav1.2涌入的鈣離子來(lái)實(shí)現(xiàn),。此外，RyR2的突變會(huì)導(dǎo)致心臟功能紊亂,，引發(fā)包括兒茶酚胺敏感性多形性室性心動(dòng)過(guò)速,、特發(fā)性心室顫動(dòng)、心臟性猝死等在內(nèi)的疾病,。因此,，對(duì)于心臟中興奮-收縮偶聯(lián)過(guò)程的研究將有助于人們充分認(rèn)識(shí)其工作機(jī)制，并為相關(guān)疾病的發(fā)生機(jī)理提供理論解釋,，同時(shí)也能夠?yàn)橄嚓P(guān)的藥物開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo),。
在的《科學(xué)》論文中,，顏寧研究組報(bào)道了RyR2處于關(guān)閉和開(kāi)放兩種不同狀態(tài)的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。RyR2蛋白樣品純化自豬心,，樣品的獲取非常不易,。不過(guò)得益于近年來(lái)清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的迅猛發(fā)展，zui終僅利用少量蛋白樣品即解析了兩個(gè)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),。此前數(shù)十年的研究已經(jīng)積累了大量有關(guān)RyR功能調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù),，很多蛋白、離子及其他小分子都可以結(jié)合并影響RyR的功能及通道開(kāi)關(guān),，以細(xì)胞質(zhì)中的鈣離子為例：濃度處于微摩（μM）量級(jí)的鈣離子會(huì)激活RyR,，而當(dāng)濃度達(dá)到毫摩（mM）量級(jí)后鈣離子又會(huì)反過(guò)來(lái)抑制RyR。在此次相關(guān)研究工作中,，她們使用EDTA來(lái)鎖定RyR2的關(guān)閉構(gòu)象,，利用20 μM的鈣離子和小分子PCB 95來(lái)穩(wěn)定住開(kāi)放構(gòu)象，從而zui終獲得了分辨率分別為4.2埃的關(guān)閉構(gòu)象和4.1埃的開(kāi)放構(gòu)象的兩個(gè)結(jié)構(gòu),。
通過(guò)比較關(guān)閉和開(kāi)放狀態(tài)的兩個(gè)結(jié)構(gòu),，她們發(fā)現(xiàn)位于穿膜區(qū)域負(fù)責(zé)通透離子的通道有明顯的變化：在開(kāi)放構(gòu)象中，該通道發(fā)生擴(kuò)張,，從而使得鈣離子能夠順利地從肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中,。RyR細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的可溶區(qū)域占據(jù)整個(gè)蛋白很大的比例，在開(kāi)放狀態(tài)下,，這部分區(qū)域向著肌質(zhì)網(wǎng)膜靠近,，同時(shí)還伴隨著一定程度的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)RyR2中每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域的仔細(xì)比較和分析,，她們認(rèn)為中心結(jié)構(gòu)域（Central domain）極有可能是引發(fā)RyR開(kāi)放的關(guān)鍵,，這一發(fā)現(xiàn)與之前有關(guān)RyR的功能研究結(jié)論相吻合。另外,，在這篇研究文章中,，她們還對(duì)部分觀察到的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行了功能方面的驗(yàn)證研究，從而更加全面地展示了RyR2的結(jié)構(gòu)及功能特性,。
特別值得一提的是,，這項(xiàng)研究成果是顏寧研究組在離子通道，特別是興奮-收縮偶聯(lián)領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展,。在此之前,，顏寧研究組發(fā)表了一系列工作，包括*個(gè)RyR1的高分辨率原子結(jié)構(gòu)以及*個(gè)Cav1.1復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu),。她們的后續(xù)研究進(jìn)一步表明,，即使在通道保持關(guān)閉時(shí)，RyR1的胞質(zhì)區(qū)也依然會(huì)呈現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化。另外,，她們還獲得了分辨率為5.7埃的RyR1開(kāi)放構(gòu)象結(jié)構(gòu),，并基于結(jié)構(gòu)比對(duì)，初步分析了RyR1的門控機(jī)理,。有關(guān)RyR1的這些成果已作為兩篇研究論文分別發(fā)表在《自然》（Nature）和《細(xì)胞研究》（Cell Research）雜志,，有關(guān)Cav1.1的兩篇論文分別發(fā)表于《科學(xué)》和《自然》雜志。上述研究與的這篇《科學(xué)》論文極大地促進(jìn)了我們對(duì)于興奮-收縮偶聯(lián)的理解,。上海恒遠(yuǎn)生物作為其供應(yīng)伙伴,，我司表示熱烈的祝賀，恭喜心肌鈣離子通道RyR2長(zhǎng)程門控機(jī)制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)成功被揭示,。