骨質發育相關的新型陽離子通道結構與門控機制獲進展

　　10月3日，《自然》（NATURE）期刊在線發表了中國科學院生物物理研究所柳振峰課題組關于三聚態胞內陽離子通道（TRimeric Intracellular Cation channel, TRIC channel）的結構與門控機制研究成果。

　　鈣離子在生物體和細胞的生理活動過程中發揮重要的作用，作為信使參與細胞信號傳遞過程，也是骨質的重要組成成分。細胞內鈣離子信號及其濃度的調控對肌肉收縮、神經遞質釋放、細胞生長和凋亡等生理過程至關重要。肌質網或內質網（SR/ER）腔內所貯存的鈣離子主要通過蘭尼堿受體（ryanodine receptor, RyR）或三磷酸肌醇受體（IP3R）通道來釋放，該過程的調控需要得到SR/ER膜上的一系列其它離子通道的支持。快速釋放的鈣離子會在SR/ER管腔內產生局部負電位，導致跨膜電位的失衡，進而阻礙鈣離子的有效釋放。因此，對于細胞內鈣信號的調控不僅需要RyR和IP3R通道來釋放鈣離子，還需要其它SR/ER離子通道來為其提供反向電流以恢復SR/ER膜電位的平衡和維持腔內離子的穩態。近年來，TRIC通道被發現是一種位于SR/ER膜上的單價陽離子通道，它們主要通過通透鉀離子或鈉離子來促進SR/ER腔內的鈣離子向胞漿釋放。編碼TRIC通道蛋白的基因遺傳缺失或突變會導致高血壓、心臟病、呼吸缺陷和脆骨病。脆骨病也稱成骨不全癥，患者先天骨質脆弱易折，統計數據顯示該病在人群中的發生率約為1/20,000。TRIC通道家族包含A型和B型兩個亞型，其中B亞型的TRIC-B與呼吸缺陷和脆骨病的發生有關。

　　近年來，科學家們圍繞TRIC通道的生理功能、分子遺傳學和電生理特征等方面開展了一系列研究，而其分子水平的三維結構與門控機制多年來一直是個謎。柳振峰課題組率先解析了秀麗線蟲（Caenorhabditis elegans）來源的TRIC-B（CeTRIC-B）通道的兩個不同構象態的晶體結構。此次所報道的研究工作中首次發現了TRIC-B通道蛋白能夠特異性地結合內源性的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）脂類分子，并形成了穩定的同源三聚體復合物（如下圖所示）。每個單體中各含有一個可通透K+離子等單價陽離子的不對稱孔道，其結構特征與經典的四聚態K+離子通道截然不同。內源性的PIP2分子介導了TRIC通道的三聚化，同時直接參與孔道結構的形成，并與推測的電壓感應基序以及鈣離子結合區有相互作用。這一發現揭示了PIP2分子在胞內離子通道中所起的關鍵作用，也拓展了人們對于PIP2與離子通道相互作用關系的認識。胞質側的鈣離子對于TRIC通道的活化有促進作用，研究結果發現TRIC-B通道在結合鈣離子前后發生了局部結構的變化，并基于此提出了該通道活化過程的機理模型，對其開放時的門控機制做出了預測。

　　新型胞內離子通道是潛在的藥物作用靶點，相關研究有望促進新藥的開發，該領域的研究工作近年來開始引人關注。此次所完成的TRIC通道結構機理方面的研究結果，將為深入開展關于胞內鈣信號動態調控，有關的生理過程、病理以及藥理的分子基礎研究提供全新的視角。該項研究得到了科技部“973”計劃、中科院戰略性先導科技專項的資助以及中科院“135”計劃項目的經費支持。課題負責人和論文通訊作者柳振峰為中組部“青年千人計劃”的首批入選者。柳振峰課題組的博士研究生楊涵婷和胡苗會為該論文的共同第一作者；助理研究員郭建立和歐曉敏分別參與了電生理數據的收集和分析工作；生物物理所楊福全課題組的蔡潭溪合作參與了脂類樣品的質譜鑒定工作。生物物理所孫堅原課題組為該項研究提供了單通道電生理研究設備的支持。晶體衍射數據收集于上海光源（BL17U線站）和日本筑波光子工廠（BL1A、BL5A和NW12A線站）。