鈉離子通道意想不到的結(jié)構(gòu)及機制

1、劍橋大學新研究揭示鈉離子通道意想不到的結(jié)構(gòu)及機制作者： 來源：生物探索 發(fā)布者：沈蘭霞 日期：2014-06-27 今日/總瀏覽：65/65 鈉離子（Na+）通道與許多嚴重的疾病如心臟病、癲癇和疼痛有關(guān)系，在研制針對這些疾病的藥物時，科學家通常將Na+通道作為一個重要的潛在目標。但是，對于Na+通道的具體結(jié)構(gòu)，很多科學家并不熟悉。劍橋大學（UniversityofCambridge）近期發(fā)布了一項新研究，提供了鮮為人知和意想不到的洞察結(jié)果Na+通道的結(jié)構(gòu)和機制。研究結(jié)果發(fā)表在生物化學雜志（JournalofBiologicalChemistry）上。 鈉離子（Na+）通道及其主要功能 鈉離子（

2、Na+）通道是位于細胞質(zhì)膜上的一種跨膜糖蛋白，通常由、1、2三個亞單位組成，因其在電刺激的條件下能夠被激活開放，故又稱其為電壓門控鈉離子通道，其分布范圍非常廣泛。鈉離子（Na+）通道的開放主要是引起細胞膜外的Na+內(nèi)流，改變細胞膜兩側(cè)電位的極性，從而造成去極化過程。 Na+通道中央有能通過Na+的親水通道，通道的外端有選擇性濾孔，是選擇通過離子的部位。孔道中有閘門m門，蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化使m門開放與關(guān)閉。Na+通道有電壓感受器，其上有電荷。這些電荷在電場的作用下移動，造成閘門的開放，因而也記錄到門控電流。去極化引起Na+通道開放后約在2ms內(nèi)就會失活。從膜內(nèi)側(cè)施加蛋白水解酶可以阻止通道失活，也就

3、是孔道內(nèi)端有蛋白質(zhì)的失活h門。h門一般在m門開放后幾毫秒內(nèi)關(guān)閉。 Na+通道的主要功能是維持細胞興奮性及其傳導(dǎo)。與其他類型的離子通道相比較，Na+通道研究的比較早，是科學家目前對其特征、分類、結(jié)構(gòu)、門控動力學、生理意義、藥理作用等了解比較清楚的一類離子通道。但是，至今Na+通道的機理與其疾病類型之間仍然尚未完全吻合，而隨著對其研究的不斷深入，Na+通道的發(fā)病機理與疾病類型的關(guān)系將會更加明朗，這將為臨床開展預(yù)防、診斷以及治療提供明確的醫(yī)學基礎(chǔ)。 Na+通道與疼痛的產(chǎn)生有密切的關(guān)系 中國科學院上海生命科學院鮑嵐研究組的博士研究生張振寧和李乾等，2008年曾經(jīng)在細胞科學雜志（JournalofCel

4、lScience,2008,121,3243-3252.doi:10.1242/jcs.）發(fā)表了他們的研究成果，發(fā)現(xiàn)Na+通道是可興奮細胞產(chǎn)生動作電位的基礎(chǔ)，脊椎動物的鈉離子（Nav）通道中的Nav1.8，是特異性高表達在背根神經(jīng)節(jié)初級感覺小神經(jīng)元中的一種電壓門控鈉離子通道，它與疼痛的產(chǎn)生有密切的關(guān)系。 Nav1.8主要駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，其第一個胞內(nèi)環(huán)上的RRR結(jié)構(gòu)域是一個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號，對Nav1.8駐留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有貢獻，限制了其有效地向細胞膜表面的運輸及功能的行使。當Nav1.8的RRR內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號失去功能后，其細胞膜表面表達量較野生型Nav1.8顯著升高。Nav的3亞單位通過與Nav1.

5、8的第一個胞內(nèi)環(huán)結(jié)合，掩蓋了Nav1.8的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號，促進Nav1.8向細胞膜表面的運輸。 此項工作首次在Nav1.8中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號，并對Nav1.8中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號的功能與調(diào)控提供了有力的證據(jù)，同時也揭示了Nav亞單位對亞單位調(diào)控的分子機制，為深入了解疼痛的產(chǎn)生和發(fā)展提供了新的研究方向和理論基礎(chǔ)。 新研究揭示Na+通道的結(jié)構(gòu)和新機制 神經(jīng)和其他電刺激細胞與另外的神經(jīng)和其它細胞之間通過傳輸電信號而互相溝通,Na+通道在這一過程中扮演著至關(guān)重要的角色。脊椎動物的鈉離子（Nav）通道是由一個離子傳導(dǎo)亞單位和相關(guān)的-亞單位構(gòu)成。劍橋大學這項新研究的側(cè)重點是-亞單位中一種稱為3的亞單位。3

6、位于神經(jīng)元和心肌細胞中，在Na+通道調(diào)節(jié)方面具有特別重要的作用。 在研究中，研究人員使用蛋白質(zhì)x射線晶體學技術(shù)來確定3-亞單位一部分的原子水平結(jié)構(gòu)“免疫球蛋白域（immunoglobulindomain）”，并給出其晶體結(jié)構(gòu)。3-亞單位的該區(qū)域位于細胞外，和心臟鈉通道-亞單位結(jié)合在一起。研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，3個“3-免疫球蛋白域”聚在一起形成了一個三聚體。 分析超速離心法證實在游離溶液中，免疫球蛋白域的存在形式有單體、二聚體和三聚體,而原子力顯微鏡成像結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了全長的3亞單位單體、二聚體和三聚體。半胱氨酸殘基的突變是維系二聚體和三聚體在三聚體界面不穩(wěn)定的關(guān)鍵。 隨后，研究人員使用原子力顯微

7、技術(shù)（DilshanBalasuriya）對單個三聚體進行成像，進一步證明3亞單位可以與Nav1.5亞基上的多個位點結(jié)合,誘導(dǎo)亞單位的寡聚物形成,其中包括三聚體。 這項研究結(jié)果顯示了Nav通道中的3亞單位三聚體與3種鈉通道-亞單位之間的新的和意想不到的交聯(lián)作用，為一些病理Nav通道突變提供了新的結(jié)構(gòu)上的深刻理解。 這項研究是在劍橋大學生物系TonyJackson博士和DimaChirgadze博士領(lǐng)導(dǎo)之下，主要由SivakumarNamadurai進行的。TonyJackson博士說：“我們的結(jié)果出人意料,我們一直致力于3-亞單位研究已經(jīng)大約有14年了。在此期間,我們不得不間接地在分子水平上進行推斷。為了真正看到亞單位的原子結(jié)構(gòu)以及它是如何形成三聚體的，十余年終修正果，猶如突然打開一盞燈泡，罕見的令人驚訝的一幕物瞬間一清二楚地展現(xiàn)在眼前?！?DimaChirgadze博士補充說:“我們的研究對理解鈉離子通道機制行為有著重要的意義。迄今為止，一直存在一種假設(shè),即單個鈉離子通道的功能是相