颜宁再发Nature，破解“齐考诺肽”止痛的结构秘密
刀口遇滚水烫——疼痛难忍，麦芒戳到眼睛里——又刺又痛……疼痛的滋味并不好受，人人都避之不及。
痛，这看似发生在一瞬间的感受，其实包含着一系列的信号传递。要阻断痛觉，首先要了解清楚其传感通路。
北京时间2021年7月7日晚23时，美国普林斯顿大学教授颜宁团队的最新成果——“止痛药齐考诺肽（Ziconotide）阻断人Cav2.2通道的结构”在《自然》杂志在线发表。
该研究首次解析了人源神经组织N型电压门控钙离子通道3.1埃分辨率的高清三维结构，为理解其功能提供了线索。研究还解析了3.0埃的止痛药齐考诺肽阻断该通道的结构，为该通道的特异性止痛药物研发提供思路。
切断通路，让疼痛不再难忍
当刀口遇滚水、麦芒戳到眼睛时，遍布全身的神经末梢最先感受到，它会将刺激信号转化为电信号，传递给位于脊髓中的中枢神经系统，中枢神经系统再将电信号转化为化学信号——神经递质，最后传输至大脑。
在从电信号至化学信号的转化过程中，离不开Cav2.2（The neuronal-type voltage-gated calcium），即神经组织N型电压门控钙离子通道的参与。
电压门控离子通道是细胞控制离子运输的一类重要蛋白，包括钙离子、钾离子、钠离子等的运输。它们在众多生理过程中扮演着重要角色，如基因表达、神经信号传递、肌肉收缩、神经退行性疾病、心脏病、精神疾病等。离子通道蛋白是目前仅次于GPCR（G蛋白偶联受体）的第二大药物治疗靶点。
钙离子（Ca2+）作为生物体内重要的第二信使，参与着肌肉收缩、神经信号传递、腺体分泌、基因转录调控及细胞凋亡等生命过程。电压门控钙离子通道（Cav）蛋白家族包括10个成员，根据其序列上的差异，可分为三个亚家族，分别是Cav1.1-1.4、Cav2.1-2.3、Cav3.1-3.3。
近年来，颜宁团队一直致力于解析不同亚型Cav的三维结构，此前已成功解析出Cav1.1、Cav3.1等复合物结构。
在本项研究中，作者聚焦于家族成员Cav2.2。当细胞膜电位发生变化时，Cav2.2会被立即激活，开启通道闸门，以便信使Ca2+顺利从细胞膜外进入膜内，从而促进神经递质的释放，引发一系列下游信号通路。
因此，如果人为切断Cav2.2，神经信号难以传导，大脑也就无法感知疼痛。
Cav2.2：形似一匹跃起的“骏马”
要切断Cav2.2并不容易。它和“家人们”长得非常相似，能够调控Cav2.2的分子，往往也能调控其它成员，从而引起异常的生理反应。这成了相关止痛药物研发的瓶颈。
目前上市的，仅有一种依靠阻隔Cav2.2来发挥作用的止痛药——齐考诺肽。与阿片类止痛药相比，它不会成瘾，效果不会随用量增多而变差,几乎能够缓解所有疼痛。同时拥有极强的止痛效力，是阿片类止痛药的1000倍。
但齐考诺肽只能通过鞘内注射给药，即通过腰穿将药物直接注入蛛网膜下腔，使药物弥散在脑脊液中。“大家都希望能以齐考诺肽为模版，开发出服用方便、更加安全有效的止痛药。”本文的第一作者、美国普林斯顿大学分子生物学系博士后高帅说。
“从结构生物学的角度，我们想知道，Cav2.2的结构是怎样的？齐考诺肽与它是怎么结合的？只有了解清楚它的结构和机理，才能针对相应的蛋白设计靶向药物。”本文的共同第一作者、美国普林斯顿大学分子生物学系博士后姚霞说。
利用单颗粒冷冻电镜方法，研究人员重构了分辨率为3.0埃的人源Cav2.2蛋白复合物与齐考诺肽结合前后的三维结构。
三维重构图显示，Cav2.2的三个亚基相互交叠，形似一匹腾空跃起的“骏马”，α2δ-1构成的“马头和脖子”伸向细胞膜外，α1构成“马身和前蹄”跨过整个跨膜区，留下“后腿”β3蹬在细胞膜内，作为支撑。
动画1：Cav2.2三维重构动画。作者提供
高帅介绍，“齐考诺肽就结合在钙离子运输的入口处。相对于结合前，α2δ-1和α1的膜外环状结构协同向上进行位移，空出位置，‘让路’给齐考诺肽，便于它与蛋白结合。”
为相关止痛药物研发提供思路
对其三维结构进行深入分析计算后，研究人员解析了β3与α1亚基的相互作用。
“我们还发现，与此前研究的Cav1.1、Cav3.1不同，Cav2.2多了CH1和CH2两个结构片段。”姚霞说，同时，Cav2.2的四个电压感受器（voltage-sensing domain，VSD）并未同时升起，其中VSD2呈现出“down”的构象状态，这在其它家族成员的VSD构象中从未观察到。
动画2：α1亚基中VSD构象变化动画。作者提供
经过进一步的分析，研究人员还在其VSD2中发现了磷脂分子PIP2，它有助于其“down”构象的稳定。
“这很令人惊喜。目前我们还无法准确判断整个蛋白处于何种功能状态、它为何如此呈现，这也是未来需要研究的问题。”姚霞说。
高帅表示，“我们对家族代表成员Cav2.2的结构解析，为今后Cav通道调控的结构和机理研究奠定了基础。也为针对Cav2.2的止痛药物的设计和研发提供了思路。”
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03699-6
编辑 | 余 荷
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