Nat Comm | 钠通道NaV1.5激活-失活偶联的结构基础

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在神经和肌肉等可兴奋细胞中，动作电位的产生是由电压门控钠离子通道（Voltage-gated Sodium Channels, NaVs）选择性的向细胞内迅速地通透钠离子引起的。在钠通道激活并开启几个毫秒内，钠通道会快速地自我关闭进入失活状态。钠通道快速失活的特性一方面避免了过多钠离子流向细胞内，另一方面保证可兴奋细胞在短时间内可以出现多重动作电位。

在漫长的进化过程中，哺乳动物有9种NaV亚型（NaV1.1-1.9）组织特异性地表达于可兴奋细胞中。NaV1.1-3和NaV1.6主要分布在中枢神经系统细胞中；NaV1.4表达于骨骼肌细胞中；NaV1.5主要存在于心肌细胞中；NaV1.7-9分布于周围神经系统中。真核细胞钠通道具有相似的拓扑结构，共包含24根跨膜螺旋的四个同源性较高的结构域由胞内柔性肽链连接。尽管结构相似，但四个结构域响应膜电位的变化是非同步的，一般认为第一和第二个结构域率先因膜电位去极化受激活而打开通道，几个毫秒后第四个结构域激活而关闭通道。这种四个结构域非同步的激活机制决定了钠通道的快速打开和随后的迅速失活。由于纯化条件破坏了完整的细胞膜结构从而缺失膜电势，因此发表的真核钠通道结构都处于类似的构象——即电压感应结构域激活状态【1-5】。所以，第一和第二个结构域激活如何打开通道以及第四个结构域激活和钠通道快速失活的偶联机制并不清楚，需要更多处于不同构象的钠通道结构来揭示。

2019年12月19日，美国University of Washington的姜道华博士（现为中国科学院物理研究所软物质实验室研究员），与William A. Catterall教授和郑宁教授在Cell 发表论文（详见BioArt报道：Cell | 郑宁课题组等解析鼠源NaV1.5结构），报道了心肌细胞钠通道NaV1.5结合抗心律不齐药物的复合物结构，展示了小分子药物和钠通道的结合位点。与钠通道NaV1.2、NaV1.4和NaV1.7类似，快速失活的关键结构元件 IFM motif紧密地结合在细胞内侧钠通道开口旁边的疏水口袋，而不是直接堵住通道开口，说明IFM motif变构调节钠通道开关的机制。由于难以在纯化后的蛋白样品中建立膜电势，钠通道很难被稳定在其它构象，因此难以获得多种不同构象下的钠通道结构。有意思的是，为了自我保护或者捕获猎物，一些动物进化出能够抑制或者持续激活钠通道的毒素。其中α-蝎毒素通常结合在钠通道的第四个电压感应结构域并抑制钠通道快速失活，是研究钠通道失活机制和获取不同构象结构的有力工具(图A)。

2021年1月4日，美国University of Washington药理学院的William A. Catterall教授和郑宁教授团队（姜道华博士为第一作者）在Nature Communications杂志在线发表了题为Structural basis for voltage-sensor trapping of the cardiac sodium channel by a deathstalker scorpion toxin的论文。该研究报道了钠通道NaV1.5结合蝎毒素LqhIII冷冻电镜复合物结构，结合膜片钳电生理和分子动力学模拟等手段，揭示了蝎毒素LqhIII的结合会把NaV1.5的第四个电压感应结构域稳定在一种中间活化状态，弱化了IFM motif的结合从而使钠通道处于更倾向于打开的状态。为理解钠通道激活-失活偶联提供了结构基础。

作者首先筛选并确定了来自被称为“噬魂金蝎”的北非黄蝎（Leiurus quinquestriatus hebraeus）的蝎毒素LqhIII能够以很高的亲和力（IC50 = 11.4 nM）结合NaV1.5。在纯化钠通道NaV1.5蛋白的过程中加入蝎毒素LqhIII并得到稳定均一的复合物，最终利用冷冻电镜解析了NaV1.5/LqhIII的复合物结构（图B）。作者发现只有一个LqhIII特异的结合在NaV1.5第四个电压感应结构域，与之前广泛报道的电生理实验结果相吻合。由于蝎毒素LqhIII的高亲和力和特异性，结合LqhIII后促使纯化的NaV1.5第四个电压感应结构域从激活状态变成了一种中间激活态。NaV1.5第四个电压感应结构域的构象变化向细胞内结构域传递，弱化了快速失活的关键结构元件 IFM motif的结合，从而使NaV1.5细胞的开口相较于不结合的构象变大（图C）。分子动力学模拟结果表明NaV1.5/LqhIII复合物变大的开口虽然能够增加其开口出现水分子的可能性，但大小并不足以通透完全水合的钠离子。这说明蝎毒素LqhIII通过弱化IFM motif的结合从而抑制钠通道的快速失活，而不是直接打开钠通道。

综上所述，该研究深入阐释了真核钠通道和蝎毒素相互作用，不同构象的电压感应结构域，以及电压感应结构域构象变化和快速失活的偶联机制。

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20078-3

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参考文献

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4. Pan, X. et al. Molecular basis for pore blockade of humanNa+ channel Nav1.2 by the μ-conotoxin KIIIA.Science, eaaw2999 (2019).

5. Jiang, D. et al. Structure of the cardiac sodium channel.Cell180 (1),122-134 (2020).