2024 年颜宁团队首项研究成果

来源：iNature

电压门控钠通道 (Nav) 在响应膜电位变化时发生构象变化，这种机制被称为机电耦合。

2024 年 2 月 21 日，清华大学/深圳医学科学院颜宁团队在 PNAS 在线发表题为「Dissection of the structure–function relationship of Nav channels」的研究论文，为了描述人类 Nav 通道的结构-功能关系，该研究以人类 Nav1.7 为原型进行了系统的结构分析。根据野生型 (WT) Nav1.7 与含有 11 个突变的变体 Nav1.7- M11 之间的结构差异，该研究生成了另外三个中间突变体，并以 2.9-3.4 Å 的总分辨率求解了它们的结构。

在孔域 (PD) 上有 9 个点突变的突变体被命名为 Nav1.7-M9，其空腔体积减小，门密封，所有电压感应域 (VSD) 保持在上。WT 和 Nav1.7-M9 的结构比较指出了两个可能对 PD 收紧至关重要的残基。然而，包含这两个突变的变体 Nav1.7-M2，甚至与 VSD 中另外两个突变 Nav1.7-M4 结合，都未能使 PD 收紧。该结构分析表明，静态失活 I-V 曲线的右移与 PD 收缩的趋势相关。研究人员预测静息状态下的通道应该有一个「紧」的 PD 和低的 VSD。

真核电压门控钠 (Nav) 通道通过以动作电位的形式启动和传播电信号来控制膜的兴奋性。在静息状态下，可兴奋细胞 (如神经元和肌细胞) 的膜呈负电位极化。静止状态下的 Nav 通道是不导电的。它们响应膜去极化而激活。确保动作电位重复放电的关键机制是 Nav 通道的快速失活，这种失活发生在激活后的一毫秒或几毫秒内。失活通道在膜超极化后返回静息状态，为下一个工作周期做准备。

由于其在生理学上的基础意义，钠通道的异常功能或调节与大量的致病性疾病有关，如癫痫发作、心律失常和疼痛障碍。因此，Nav 通道代表了一类主要的药物靶点。不同功能状态下 NaV 通道的结构解析不仅对深入了解电信号的基本生理过程至关重要，而且对 NaV 靶向药物的开发也至关重要。

结构-功能关系研究中 Nav1.7 变体的合理设计概览（图源自 PNAS ）

与其他电压门控阳离子通道一样，Nav 通道由两个模块组成，一个是负责选择性和门控离子渗透的中心孔域 (PD)，另一个是检测膜电位变化并相应地发生构象变化的电压感应域 (VSDs)。一般认为，静息状态下的 Nav 通道具有一个封闭的 PD，有四个「向下」的 VSD，其中 S4 段上的门控电荷残基面向胞内侧。Nav 通道的激活是指由 VSD 向上运动引起的孔打开。具有孔门控的 VSD 协同运动被称为机电耦合。从物理角度来看，NaV 本质上是多个构象的集合，每个构象都可以由调制器特定地识别。

到目前为止，人类 Nav 通道的八个亚型的结构，Nav1.1-Nav1.8 已被报道。然而，大多数报道的结构表现出类似的失活构象，具有非导电 PD 和四向上 VSD 的特征。Nav 通道结构生物学的主要挑战是揭示机电耦合过程中与不同状态相关的构象。为了实现这一目标，研究人员一直在使用人类 NaV1.7 作为支架，并利用多种策略，如引入点突变和包含状态依赖性毒素或药物。

Nav 通道 PD 的结构-功能关系（图源自PNAS ）

最近的一项尝试是用 NavPaS 的对应物合理地替代一些 Nav1.7 残基，这是第一个确定原子结构的真核 Nav 通道。与人类的 Nav 通道相比，NavPaS 异构体的结构与人类的 Nav 不同，PD 更收缩，VSDs 处于中间状态。当 Nav1.7 的 PD 上的 9 个位点被 NavPaS 的残基取代时，得到的变体 Nav1.7-M9(简称 M9) 在激活和静态失活时都显示出右移的 I-V 曲线。当与 VSDI 和 VSDII 的另外两个突变结合时，变体 Nav1.7-M11 的这些 I-V 曲线的右移更为显著。基于这些 I-V 曲线，研究人员预测纯化后的 M11 在没有任何膜电位的情况下，可能是封闭状态失活 (CSI) 构象。事实上，M11-class I 的结构与野生型通道 (Nav1.7-WT) 有很大的差异。此外，VSDII 通过一个门控电荷向细胞内移动。为简单起见，除非另有说明，否则 NaV1.7-M11 或 M11 将参考 M11- I 类的结构。

该研究试图剖析 11 个点突变对 WT 和 M11 之间结构变化的贡献。除了 M9，该研究还生成了两个额外的变体，Nav1.7-M2 包含两个 PD 突变，其衍生物 Nav1.7-M4 与 M11 一样具有两个额外的 VSD 突变。该研究对这些 Nav1.7 突变体的系统结构检查提供了 Nav1.7 通道结构-功能关系的最新观点。这些结构突出了 PD 与非导电态相关的构象复杂性。

参考消息：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322899121