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心肌鈣離子通道RyR2長程門控機制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)成功被揭示
閱讀：1297 發(fā)布時間：2016-10-8據(jù)上海恒遠生物了解到：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門控機制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）的研究長文,，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)閉和開放兩種狀態(tài)的三維電鏡結(jié)構(gòu),，探討了RyR2的門控機制。
RyR是廣泛存在于肌肉細胞（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胞質(zhì)中,，從而觸發(fā)進一步的信號傳遞,，比如導(dǎo)致肌肉收縮等等。在哺乳動物中,，RyR有三個亞型,，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形成超級復(fù)合物,，并通過構(gòu)象變化激活RyR1,；而RyR2的激活則主要依靠經(jīng)Cav1.2涌入的鈣離子來實現(xiàn)。此外,，RyR2的突變會導(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過速、特發(fā)性心室顫動,、心臟性猝死等在內(nèi)的疾病,。因此，對于心臟中興奮-收縮偶聯(lián)過程的研究將有助于人們充分認識其工作機制,，并為相關(guān)疾病的發(fā)生機理提供理論解釋,，同時也能夠為相關(guān)的藥物開發(fā)提供指導(dǎo)。
在的《科學(xué)》論文中,，顏寧研究組報道了RyR2處于關(guān)閉和開放兩種不同狀態(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,。不過得益于近年來清華大學(xué)冷凍電鏡平臺的迅猛發(fā)展,，zui終僅利用少量蛋白樣品即解析了兩個狀態(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的功能及通道開關(guān)，以細胞質(zhì)中的鈣離子為例：濃度處于微摩（μM）量級的鈣離子會激活RyR,，而當(dāng)濃度達到毫摩（mM）量級后鈣離子又會反過來抑制RyR,。在此次相關(guān)研究工作中，她們使用EDTA來鎖定RyR2的關(guān)閉構(gòu)象,，利用20 μM的鈣離子和小分子PCB 95來穩(wěn)定住開放構(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埃的開放構(gòu)象的兩個結(jié)構(gòu),。
通過比較關(guān)閉和開放狀態(tài)的兩個結(jié)構(gòu),，她們發(fā)現(xiàn)位于穿膜區(qū)域負責(zé)通透離子的通道有明顯的變化：在開放構(gòu)象中，該通道發(fā)生擴張,，從而使得鈣離子能夠順利地從肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中,。RyR細胞質(zhì)一側(cè)的可溶區(qū)域占據(jù)整個蛋白很大的比例,，在開放狀態(tài)下，這部分區(qū)域向著肌質(zhì)網(wǎng)膜靠近,，同時還伴隨著一定程度的旋轉(zhuǎn),。通過對RyR2中每個相對獨立的結(jié)構(gòu)域的仔細比較和分析，她們認為中心結(jié)構(gòu)域（Central domain）極有可能是引發(fā)RyR開放的關(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,，她們還對部分觀察到的結(jié)構(gòu)信息進行了功能方面的驗證研究,，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展。在此之前,，顏寧研究組發(fā)表了一系列工作,，包括*個RyR1的高分辨率原子結(jié)構(gòu)以及*個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)研究進一步表明,，即使在通道保持關(guān)閉時,，RyR1的胞質(zhì)區(qū)也依然會呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化。另外,，她們還獲得了分辨率為5.7埃的RyR1開放構(gòu)象結(jié)構(gòu),，并基于結(jié)構(gòu)比對，初步分析了RyR1的門控機理,。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)》論文極大地促進了我們對于興奮-收縮偶聯(lián)的理解,。上海恒遠生物作為其供應(yīng)伙伴,，我司表示熱烈的祝賀，恭喜心肌鈣離子通道RyR2長程門控機制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)成功被揭示,。