近日，中國科學(xué)院昆明動物研究所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)開展合作，解析首個環(huán)核苷酸門控離子通道的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，研究成果以Structure of a eukaryotic cyclic nucleotide-gated channel 為題在線發(fā)表在《自然》雜志上。昆明動物所研究員楊建和清華大學(xué)教授李雪明為文章通訊作者，美國哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)系副研究員及昆明動物所訪問學(xué)者李明暉、清華大學(xué)博士研究生周曉元和昆明動物所副研究員王樹為文章共同第一作者。
我們能夠看到色彩繽紛的世界，聞到千奇百怪的氣味，都需要一個將外界的光學(xué)信號和氣味化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯镫娦盘柕倪^程。這一過程中，CNG通道起著關(guān)鍵的信號轉(zhuǎn)換的作用。在感光器中，光子激活感光色素，降低細(xì)胞內(nèi)環(huán)鳥苷單磷酸（cGMP）的濃度，關(guān)閉CNG通道，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜超極化。在嗅覺感受神經(jīng)元中，氣味分子激活嗅覺受體，增加胞內(nèi)環(huán)腺苷單磷酸（cAMP）濃度，打開CNG通道，導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化。CNG通道一旦功能失常就會導(dǎo)致視覺和嗅覺系統(tǒng)疾病，比如部分或完全失明和色盲。雖然過去對CNG通道的大量研究使科研人員對其有了深入的了解，但CNG通道的功能/調(diào)控的精確蛋白結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)一直不為人知。因此，獲得CNG通道高分辨率蛋白結(jié)構(gòu)對于研究CNG通道的離子通透、門控機(jī)制和致病突變導(dǎo)致的通道功能失常及其引起的相關(guān)疾病具有非常重要的意義。
研究人員通過使用單顆粒冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)，首次獲得了秀麗隱桿線蟲CNG通道結(jié)合cGMP的開放狀態(tài)的3.5 Å分辨率的三維結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)揭示CNG通道有一個不尋常的類電壓感受結(jié)構(gòu)域（VSLD）。通道蛋白C端連接體（C-linker）連接S6跨膜區(qū)和環(huán)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（CNBD），并且和VSLD及孔道結(jié)構(gòu)域直接作用，形成所謂的“門控環(huán)”。此“門控環(huán)”是介導(dǎo)環(huán)核苷酸結(jié)合所引起的CNG通道開放的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。CNG通道的離子選擇性過濾器是由谷氨酸的羧基側(cè)鏈和三個羰基氧構(gòu)成的環(huán)排列而成。該研究工作首次獲得真核生物CNG通道高分辨率全長結(jié)構(gòu)，揭示了有別于其它通道的新的結(jié)構(gòu)特征，比如獨(dú)特的三級和四級結(jié)構(gòu)和特殊的類電壓感受結(jié)構(gòu)域。這些標(biāo)志性特征揭示了胞質(zhì)中的功能結(jié)構(gòu)域是如何與跨膜結(jié)構(gòu)域相互作用的，為CNG通道缺失電壓依賴性提供了依據(jù)，為了解環(huán)核苷酸門控機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為致病突變導(dǎo)致通道功能失常的原因提供了線索。該研究不僅是CNG通道研究領(lǐng)域的重大突破，也是更廣泛離子通道領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
該研究得到了科技部“973”項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、云南省科技廳海外高端人才、云南省高層次人才項目、青年千人計劃以及美國國立衛(wèi)生研究院等多項基金項目的支持。
圖a：CNG通道四聚體結(jié)構(gòu)，視角平行于細(xì)胞膜。圖b：CNG通道單體結(jié)構(gòu)。圖c：非經(jīng)典的S4跨膜區(qū)。圖d：離子選擇性過濾器結(jié)構(gòu)的局部放大。圖c和圖d中，只顯示了四個亞基中相對的兩個。
責(zé)編：科普知識網(wǎng)