心肌鈣離子通道RyR2長程門控機制的結構基礎成功被揭示

據(jù)上海恒遠生物了解到：清華大學醫(yī)學院顏寧研究組與加拿大卡爾加里大學（University of Calgary）陳穗榮研究組合作在《科學》（Science）期刊在線發(fā)表標題為 “Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2”（2型Ryanodine受體RyR2門控機制的結構基礎）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亞型處于關閉和開放兩種狀態(tài)的三維電鏡結構，探討了RyR2的門控機制。



RyR是廣泛存在于肌肉細胞（包括骨骼肌和心肌）及腦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Ca_v在收到動作電位刺激活化后激活RyR，從而zui終導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Ca_v1.1主要在骨骼肌中發(fā)揮作用，而心臟中對應的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。Ca_v1.1能夠與RyR1形成超級復合物，并通過構象變化激活RyR1；而RyR2的激活則主要依靠經(jīng)Ca_v1.2涌入的鈣離子來實現(xiàn)。此外，RyR2的突變會導致心臟功能紊亂，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，并為相關疾病的發(fā)生機理提供理論解釋，同時也能夠為相關的藥物開發(fā)提供指導。

在的《科學》論文中，顏寧研究組報道了RyR2處于關閉和開放兩種不同狀態(tài)的近原子分辨率冷凍電鏡結構。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)下的結構。此前數(shù)十年的研究已經(jīng)積累了大量有關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合并影響RyR的功能及通道開關，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。在此次相關研究工作中，她們使用EDTA來鎖定RyR2的關閉構象，利用20 μM的鈣離子和小分子PCB 95來穩(wěn)定住開放構象，從而zui終獲得了分辨率分別為4.2埃的關閉構象和4.1埃的開放構象的兩個結構。

通過比較關閉和開放狀態(tài)的兩個結構，她們發(fā)現(xiàn)位于穿膜區(qū)域負責通透離子的通道有明顯的變化：在開放構象中，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)部轉移到細胞質(zhì)中。RyR細胞質(zhì)一側的可溶區(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。通過對RyR2中每個相對獨立的結構域的仔細比較和分析，她們認為中心結構域（Central domain）極有可能是引發(fā)RyR開放的關鍵，這一發(fā)現(xiàn)與之前有關RyR的功能研究結論相吻合。另外，在這篇研究文章中，她們還對部分觀察到的結構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的結構及功能特性。

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的高分辨率原子結構以及*個Ca_v1.1復合物的高分辨率冷凍電鏡結構。她們的后續(xù)研究進一步表明，即使在通道保持關閉時，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開放構象結構，并基于結構比對，初步分析了RyR1的門控機理。有關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Cav1.1的兩篇論文分別發(fā)表于《科學》和《自然》雜志。上述研究與的這篇《科學》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長程門控機制的結構基礎成功被揭示。