Nature｜具备电压感知的转运体，精子钠/氢交换蛋白SLC9C1的结构解析
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精子趋化性的运动对于受精至关重要，精子的运动是由依赖pH激活产生cAMP的酶sAC所调控的【1】。作为对各种外部刺激的响应，鞭毛膜发生超极化，从而激活了精子特异性的钠/氢交换蛋白(NHE) SLC9C1，导致细胞内pH增加。pH的碱化和sAC产生的cAMP的增加都会激活CatSper钙通道，从而推动趋化运动【2】（图1a）。精子信号传导和运动的关键在于SLC9C1激活引发的细胞内pH的变化。
SLC9C1属于NHE离子转运蛋白家族，它们促进阳离子（Na+/Li+/K+）和质子（H+）在膜上的电中性交换，以调节细胞内pH、钠水平和细胞体积【3】。在哺乳动物中，有13种不同的NHE亚型分为三个类群：SLC9A（NHE1–9）、SLC9B（NHA1–2）和SLC9C1–2。SL9C1和所有其他NHE蛋白都被认为是生理上的同源二聚体，但是SLC9C1与家族中的其他蛋白与众不同，其C末端组成了电压感应结构域(VSD)和环核苷酸结合结构域(CNBD)【4】（图1b）。VSD使SLC9C1在超极化（-95 mV）时激活转运，CNBD结合cAMP使SLC9C1能够在精子的静息膜电位（-50 mV）附近激活【4】。这些信息都表明SLC9C1具备了类似通道感知电压的能力，但是仍然缺少结构信息来解释这一蛋白的转运离子与感应电压的机制。
图1 SLC9C1的生理功能
2023年10月25日，来自斯德哥尔摩大学的David Drew课题组在Nature上发表了题为“Structure and electromechanical coupling of a voltage-gated Na+ /H + exchanger”的文章，与此同时，来自海德堡大学的Cristina Paulino课题组在Nature上发表了题为“Structures of a sperm-specific solute carrier gated by voltage and cAMP”的文章。这两个课题组都通过解析海胆SLC9C1的结构，揭示其特异性感知电压，以及由cAMP配体调节钠/氢交换的分子机制。
这两个课题组都纯化了海胆的SLC9C1蛋白，通过冷冻电镜解析结构，分辨率为3.2 Å（图2a）。与其他已经解析了的NHE蛋白相似，SLC9C1也组装为同源二聚体，可以分为如下的结构组分，13根螺旋组成的NHE转运模体（TD），电压感应结构域（VSD），环核苷酸结合结构域（CNBD），可溶的C端胞质结构域（β-CTD）和连接TD-VSD-CNBD间的连接螺旋（CH）（图2b-2f）。
图2 SLC9C1的结构
NHE转运体结构域中的13根螺旋形成同源二聚体，分为二聚体相互作用的结构域（Dimer domain）和负责转运的核心结构域（Core domain）（图3a）。核心结构域负责进行钠/氢交换（图3b），是向内开口的构象。二聚体相互作用结构域有磷脂PA进行调控（图3c）。
图3 NHE转运体结构域
而对于SLC9C1的VSD结构域，其位于二聚体交界面的两侧约20 Å的位置（图4a）。在其第四根螺旋（S4）上，有着保守的带正电荷的(R/K–XX)n膜式（图4b），膜电位影响正电荷残基的位置，从而使VSD发生移动，起到感知电压的作用。
图4 SLC9C1的VSD感知电压机制
环核苷酸可以使得SLC9C1在静息电位激活，cAMP的激活效果比cGMP高。所以作者又解析了SLC9C1在cAMP与cGMP作为配体的结构，发现结合cAMP的SLC9C1结构有很高的动态性，cAMP使得β-CTD的相互作用被破坏（图5a）。而CNBD结构域在三种状态的下差别较小（图5b）。但是在结合了cAMP的SLC9C1结构中，可以发现CNBD与CH呈现了很大程度的动态性（图5c），提示了cAMP结合到CNBD后造成了一定程度的构象变化。
图5 环核苷酸调控SLC9C1
综上，这些结构信息揭示了SLC9C1电压调节与cAMP调节的钠/氢交换机制，在失活状态时，SLC9C1被锁在向内开口状态（图6 状态1）。当超极化至-70mV时，VSD的S4向下移动，破坏了β-CTD相互作用界面（图6 状态2）。界面破坏后，SLC9C1被激活使得其可以进行钠/氢交换（图6 状态3）。而cAMP结合在CNBD结构域后也可以破坏β-CTD的相互作用（图6 状态4），使其可以在更接近静息电位约-56mV下被激活，进而进行钠/氢交换。但是本文还有一些不足之处，海胆的SLC9C1蛋白和哺乳动物的对应蛋白仍然存在差异，还需要后续的研究结果进行探究。
图6 电压调节与cAMP调节的SLC9C1钠/氢交换机制
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06518-2
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06629-w
参考文献
参考文献
【1】Speer, K. F., Allen-Waller, L., Novikov, D. R. & Barott, K. L. Molecular mechanisms of sperm motility are conserved in an early-branching metazoan. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2109993118 (2021).
【2】Cavarocchi, E. et al. The sodium/proton exchanger SLC9C1 (sNHE) is essential for human sperm motility and fertility. Clin. Genet. 99, 684–693 (2021).
【3】Pedersen, S. F. & Counillon, L. The SLC9A-C mammalian Na+/H +exchanger family: molecules, mechanisms, and physiology. Physiol. Rev. 99, 2015–2113 (2019).
【4】Windler, F. et al. The solute carrier SLC9C1 is a Na+/H+-exchanger gated by an S4-type voltage-sensor and cyclic-nucleotide binding. Nat. Commun. 9, 2809 (2018).
供稿 | 朱盎岐
审稿 | 李浩田
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
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