教科书式总结！颜宁团队结构生物学领域连发两篇重要成果

深圳医学科学院/清华大学颜宁团队近日接连发表文章，报道其团队在结构生物学的最新研究进展。8 月 15 日，颜宁团队在 Cell Chemical Biology 发表题为「A versatile residue numbering scheme for Nav and Cav channels」的文章，该文章重点介绍了真核生物 Nav 和 Cav 通道的代表性药物结合位点，还扩展了编号方案，以比较不同 Nav 亚型之间的常见疾病突变。通用残基编号方案的应用可以直接了解致病突变的热点和药物结合的关键位点，并将促进针对 Nav 和 Cav 通道的药物发现。

电压门控离子通道（Voltage-gated ion channels, VGICs）包括 Na⁺、Ca²⁺和 K⁺离子通道，其能够响应膜电位的变化，并选择性地将离子穿过细胞膜，鉴于它们在生理上的基本作用，这些通道的失调或功能异常与广泛的神经、心血管、肌肉和精神疾病有关。目前，约有 10%  美国食品和药物管理局批准的药物直接针对 VGICs。因此，了解 VGICs 的结构-功能关系对理解其工作机制以及在疾病中发挥的作用至关重要。

2024 年 8 月 5 日，深圳医学科学院/清华大学颜宁团队在 Nature Reviews Molecular Cell Biology 杂志发表了题为「Structural biology and molecular pharmacology of voltage-gated ion channels」的综述文章（图 1），在这篇综述中，研究人员全面回顾了电压门控离子通道结构的最新研究进展，详细阐述了离子通道的工作机制，并重点介绍了原型药物和毒素如何调节 VGICs 的活性，系统分析了这些结构在药物发挥作用中的作用，为未来的药物发现提供关键线索。

图  1 相关研究（图源：[1]）

1. VGICs 的结构和分类

结构决定功能，因此，对于 VGICs 来说，解析电压依赖性通道门控和选择性离子传导的关键结构至关重要。其中，基本模块包括：监测膜电位波动的电压传感器；将流动的离子与疏水脂质双分子层隔离的通道；通道内区分离子的分子筛以及用于响应来自电压传感器的信号控制离子流动的通道。总的来说，这些功能模块始终存在于 VGICs 的所有离子传导亚基中，其中四个电压感应域（Voltage-sensing domains, VSD）围绕中心孔域，而选择性滤波器和激活门分别位于细胞外和细胞内两侧。

概括来说，VGICs 围绕垂直于膜平面的中轴线表现出独特的四重对称或伪对称，这四个重复序列既可以属于形成四聚体的单个多肽链，也可以串联在一条长链上；而双孔通道则是选择性较低的细胞内阳离子渗透性通道，由两条链组成，每条链含有两个重复序列。每个重复由 6 个跨膜片段组成，命名为 S1-S6，其中，S5 和 S6 四对及其中间序列包围了孔结构域，而 S1-S4 在每个重复序列中构成一个 VSD。

关于 VGICs 的分类，许多 VGICs 通道以多组分复合物的形式存在。除了 Nav、Cav 和 Kv 通道外，VGICs 折叠还保存在瞬时受体电位（Transient receptor potential, TRP）通道的跨膜区域、内质网定位的高电导 Ca2+释放通道 ryanodine 受体（Ryanodine receptors, RyRs）和精子阳离子通道 CatSper。尽管共享 VGICs 折叠，TRP 通道和 RyRs 主要是由化学配体、机械力或温度控制的。值得注意的是，电压门控氯离子通道具有完全不同的结构折叠，而质子通道仅由一个 VSD 组成。

图 2  电压门控离子通道的结构与分类

2. 离子选择性的结构基础

在 VGICs 中，每个重复序列中 S5 和 S6 之间的中间段折叠成半穿透膜的螺旋选择性过滤器螺旋或螺旋选择性过滤器环状结构。在 Na_v 和 Ca_v 通道中，两个螺旋被定义为 P1 和 P2，其中 P2 螺旋位于细胞外侧。连接来自四个重复序列的 P1 和 P2 螺旋的短连接子共同构成分子筛，选择性过滤器特征基序包裹着外口。

在 K_v 通道中，P2 螺旋不存在，取而代之的是 S6 之前的一个环，它几乎与细胞膜的细胞外表面平行。P2 螺旋也不存在于 RyRs 和 TRP 通道中。因此，作为选择性较低或非选择性的阳离子通道，与 K^v 通道相比，这些通道具有更短的选择性滤波器收缩路径和更多倾斜的 P 环。总的来说，离子选择性是由离子大小、电荷密度和水化壳的存在等因素决定的。

图 3 离子选择性的结构基础

3. 通道失活的机制

至于 VGICs 的失活，其要么在通道打开后失活，要么在关闭状态情况下失活，或者在未经历打开过程的情况下从静息状态失活。失活是许多生理过程的关键机制，如动作电位放电的不应期，以确保定向信号转导。在不同的 VGICs 中存在多种形式的失活，包括 K_v 通道的 N 型和 C 型失活、快速和缓慢地关闭 Na_v 通道、电压依赖性与钙依赖性 Ca_v 通道失活以及关闭状态失活。

图 4  电压门控离子通道的多种失活机制

4. 结构性药理学解析

目前，VGICs 是许多美国食品和药物管理局批准的药物和天然毒素的主要靶点。对 VGICs 工作机制的结构解析已经为许多具有良好结合位点的药物和毒素的作用机制提供了直接的解释。例如，状态无关的孔阻滞剂通常与通道的相对刚性区域结合，而状态相关的调节剂，包括拮抗剂和激动剂，通常与机电耦合过程中发生构象变化的片段相互作用。

随着毒素和药物存在下 VGICs 的高分辨率结构越来越多，传统的基于序列的药物结合位点定义被证明不足以反映这些位点的多样性和复杂性。特别是最近发现的位于细胞内门下方和快速激活基元结合位点附近的位点。本综述系统总结的不同 VGICs 家族中映射到高分辨率结构的可药物位点对新型治疗方法的开发具有重要启示作用，特别是在人工智能辅助的基于结构的药物设计和优化。例如，VGICs 的现有结构表明，孔结构域及其胞外环和胞内突起可作为多种调节剂的多功能受体。本质上来讲，结合位点分布在整个孔域中。

图 5 Na_v、Ca_v 和 K_v 通道上药物结合位点的结构图

总结与展望

经过几十年的探索，尤其是低温电镜技术的革新和发展，使得研究人员能够在原子水平上系统地剖析 VGICs 的工作机制和异常导致的发病机制。特别是高分辨率结构的阐明，以及计算方法的进步，在未来必将引领药物的合理设计和优化。当然，目前仍有许多悬而未决的问题有待进一步的技术甚至理论突破。比如说，越来越多的证据强调了脂质对通道活性的功能和调节作用，但它们的具体身份和生理相关性仍有待进一步研究。此外，由于通道-配体复合物结构数量有限，准确预测小分子或多肽类调节剂在离子通道上的结合位点仍面临挑战。

不过，需要指出的是，人工智能的发展也在一定程度上促进蛋白质结构预测以及结构生物学的另一场革命。在未来，不断扩大的实验结构数据库和人工智能授权方法的快速发展和应用将为配体结合和结构动力学预测的突破提供了新的希望。

通讯作者：

颜宁，教授、博士生导师，中国科学院院士、清华大学讲席教授、美国科学院外籍院士、美国艺术与科学院外籍院士、美国普林斯顿大学终身讲席教授，深圳医学科学院院长、深圳湾实验室主任。主要从事与疾病相关的重要膜转运蛋白、电压门控离子通道的结构与工作机理及膜蛋白调控胆固醇代谢通路的分子机制方面的研究，自 2009 年以来，颜宁作为通讯或者共同通讯作者发表学术研究论文近 80 篇，其中 33 篇发表于 Cell、Nature、Science 等国际顶尖杂志。

潘孝敬，深圳医学科学院特聘研究员，主要运用结构生物学、生物化学、生理学等手段，从事与重大疾病相关的膜蛋白的工作机理和药物作用机制的研究，目前开展的方向包括代谢疾病相关的膜蛋白以及肿瘤-免疫相关的蛋白的研究。潘孝敬博士在国际顶级学术期刊 Science 上以第一作者（含共一）发表文章 5 篇，以共通讯作者在 PNAS，Nature Communications 等杂志发表文章 7 篇。

参考资料：

1. Huang, J., Pan, X. & Yan, N. Structural biology and molecular pharmacology of voltage-gated ion channels. Nat Rev Mol Cell Biol (2024). August 5.

图片来源：图虫创意

来源：丁香学术

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