Cell突破：姜道华等报道心脏中钠离子通道的开放态三维结构和门控机制

2021

09/16

生物世界

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该研究解析了钠通道突变体NaV1.5/QQQ处于开放状态的冷冻电镜结构。

撰文 | 刘如楠

来源 | 小柯生命

2021年9月13日，中国科学院物理研究所软物质实验室 姜道华 特聘研究员与美国华盛顿大学William A. Catterall教授、郑宁教授合作，在 Cell 期刊在线发表了题为： Open State Structure and Pore Gating Mechanism of the Cardiac Sodium Channel （心脏中钠离子通道的开放态结构和门控机制）的研究论文。

该研究解析了钠通道突变体Na _V 1.5/QQQ处于开放状态的冷冻电镜结构，揭示了抗心律不齐药物普罗帕酮 （Propafenone）与开放状态钠通道的结合位点。结合分子动力学模拟和膜片钳电生理等手段，从原子水平上阐明了钠通道开放状态、钠通道开放状态的药物阻断以及钠通道快速失活的分子机制。

在可兴奋细胞中，电压门控钠离子通道 （Voltage-gated sodium channel, Na_V1.1-1.9）负责产生和传播动作电位，参与许多生理进程，如神经信号传递、骨骼肌和心肌收缩、痛觉感知等。

其中Na _V 1.5作为心脏中最主要的钠离子通道，负责启动和维持心脏有节律地跳动。Na _V 1.5发生突变或功能异常会引起心律不齐，威胁人类生命健康。因此， Na_V1.5是临床上一类常用的抗心律不齐药物 （Class I Anti-arrhythmic Drug） 的直接靶点 。

鉴于Na _V 1.5在维持心脏有节律跳动中发挥了极其重要的作用，阐明Na _V 1.5的结构与功能的关系具有重大意义。过去几年，研究人员陆续报道了高等生物Na _V 1.1、Na _V 1.2、Na _V 1.4、Na _V 1.5和Na _V 1.7处于失活态的高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）三维结构，然而，在钠通道发挥功能过程中的静息态和开放态的结构依然未知。

单通道电生理结果表明，真核钠离子通道开放是一种非常短暂的瞬时状态，通常不超过100微秒。如何将真核钠通道稳定在开放状态并解析其结构非常具有挑战性。

2020年初，美国华盛顿大学博士后姜道华 （现为中国科学院物理研究所软物质实验室特聘研究员），与William A. Catterall教授和郑宁教授在 Cell 发表了题为： Structure of the cardiac sodium channel 的论文， 首次报道了心肌细胞钠通道Na_V1.5的结构，展示了临床药物分子与钠通道的相互作用 。

2021年1月，该团队在 Nature Communications 期刊发表了题为： Structural basis for voltage-sensor trapping of the cardiac sodium channel by a deathstalker scorpion toxin 论文。该研究报道了 Na_V1.5结合蝎毒素LqhIII复合物结构，揭示了蝎毒素LqhIII的结合会把Na_V1.5的第四个电压感应结构域稳定在一种中间态，从而弱化了IFM motif的结合导致钠通道更倾向于打开。

在本项研究中，作者首先将突变IFM/QQQ引入Na _V 1.5，发现该突变能有效阻断钠通道的快速失活，所获得的突变体Na _V 1.5/QQQ在被激活后能长时间保持开放状态。为了克服Na _V 1.5/QQQ突变体在表达时因为持续激活导致的细胞毒性，作者筛选发现普罗帕酮可以有效缓解细胞毒性。随后利用冷冻电镜解析了高分辨率开放态钠通道的结构，从原子水平上揭示了钠通道快速打开、快速失活和开放态阻断的结构基础。

与此前报道的Na _V 1.5c结构相比，在Na _V 1.5/QQQ结构中，由于亲水性的QQQ脱离原本容纳疏水IFM的疏水性结合口袋，导致胞内侧的激活门孔扩大。通过对比水合钠离子的大小，作者推测该门孔的直径足以让水合钠离子自由通过，从而断定该结构处于开放状态（如下图所示）。

为了进一步验证所获得的Na _V 1.5/QQQ结构处于开放状态的假设，作者对Na _V 1.5、Na _V 1.5/LqhIII和Na _V 1.5/QQQ的结构进行了分子动力学模拟。发现Na V 1.5/QQQ的激活门与Na V 1.5、Na V 1.5/LqhIII的不同，有一半以上的概率会处于充满水的状态，呈现出与此前报道的开放状态的原核钠通道Na V Ab/1-226相似的双峰分布。更重要的是，通过分子动力学模拟计算出的开放状态Na V 1.5/QQQ通透钠离子的传输速率与电生理单通道实验值相近。分子动力学模拟结果支持Na V 1.5/QQQ结构处于开放状态。

类似于局部麻醉药物，抗心律不齐药物被认证为作为阻断剂结合在钠通道的中央腔中。作者发现，普罗帕酮可以穿过开放状态下Na _V1.5的激活开口，到达中央腔的高亲和力结合位点，特异性地阻断Na V 1.5。电生理结果表明，在有普罗帕酮的情况下，Na V 1.5/QQQ激活后先达到最大电流，然后电流被抑制，说明普罗帕酮倾向于结合开放状态的钠通道。这些结果证实了普罗帕酮是一种开放状态的阻断剂。