再次背靠背Science同期两篇 ——颜宁组继续在钠离子通道结构领域独占鳌头！

推荐：江舜尧

编译：周建红博士

编辑：江舜尧

简介

颜宁课题组于2019年3月22日在Science上发表2篇背靠背研究长文，题目分别为Structures of human Na_v1.7 channel in complex with auxiliary subunits and animal toxins和Molecular basis for pore blockade of human Na⁺channel Na_v1.2 by the μ-conotoxin KIIIA。这是颜宁组第二次在Science同期发表2篇背靠背长文。本次报道解析了2类人体电压门控钠离子通道Na_v1.2、Na_v1.7与其亚基、阻滞剂的复合物冷冻电镜结构，分辨率分别为3.0、3.2Å。由于钠离子通道是重要的潜在药物靶点，如此高清晰度的复合物结构直接阐释了钠通道分子作用机制，为研发针对这类靶点的药物奠定了重要的结构基础。

研究摘要

人体中包含9种电压门控钠离子通道α亚型（Na_v1.1–1.9），和4种起调节作用的β亚基（β1–4）。不同亚型在人体组织中特异性分布，其中Na_v1.7在外周神经高度表达，并直接与疼痛综合症相关，突变可以导致痛觉丧失等痛感异常疾病。 而Na_v1.2主要分布在大脑，突变可以导致癫痫、婴儿性痉挛、自闭症等疾病。因此这两类钠通道都是非常有前途的潜在药物靶点。获得它们的高精度三维结构，是研发针对这类靶点新药的首要步骤。

第一篇研究长文成功解析了带有β1和β2辅助亚基的Na_v1.7通道，分别与两个毒素组合相结合的复合物结构，称为Na_v1.7-PT和Na_v1.7-HS。这两个毒素组合为河豚毒素（tetrodotoxin，TTX）+原毒素II（Protoxin-II），以及石房蛤毒素（saxitoxin，STX）+Huwentoxin-IV。组合中的两个毒素通过不同的作用机制抑制或激活Na_v1.7的活性。组合的第一个毒素是孔隙阻滞剂（pore blocker），它们通过堵塞离子通道孔隙来抑制Na的流动。第二个毒素是门控调节毒素(gatingmodifier toxins，GMTs),通过复杂的变构效应将离子通道构象稳定在一个状态，从而抑制或激活通道活性。解析的结构发现，两种毒素组合的Na_v1.7-β1和Na_v1.7-β2复合物结构整体相差不大（图1），唯一的区别在于Na_v1.7的电压感应区域II（VSDII），这是因为VSDII结合不同的门控调节毒素（图1A）。

第二篇长文中报道的是Na_v1.2-β2-多肽阻滞剂芋螺毒素KIIIA的复合物结构。多肽阻滞剂KIIIA属于孔隙阻滞剂，与小分子阻滞剂相比，有更高的特异性，因此有更好的成药潜力，从而也是新药研发的重点。结构显示，KIIIA虽然只有16氨基酸，但是与Na_v1.2胞外区域形成广泛的极性作用（图2 E），氨基酸结合位点也对Na_v1.2高度特异，因此也解释了KIIIA为什么能高度特异地抑制Na_v1.2活性。

总体而言，这两篇文章亮点包括：1. 解析了高表达难度的Na_v1.7，它作为最受关注的钠通道亚型止痛药靶点，其高精度结构的获得对将来新药研发意义重大。2. Na_v1.7与调节亚基β1、β2，不同毒素组合的高分辨率结构，展示了毒素的不同结合位点，阐释了钠通道受特异毒素调节的分子机制。3.清晰看到Na_v1.2与特异性毒素KIIIA的相互作用，与之前已知结构的钠通道与毒素复合物（如Na_vPas+Dc1a）比较，归纳了几种不同的作用方式（图3），为设计特定亚型的药物提供了分子机制和指导。

至今为止，颜宁组共解析了钠离子通道7个不同结构，包括（1）2012年首次报道的原核钠通道Na_vRh的晶体结构，（2）2017年第一个真核（美洲蟑螂）钠离子通道Na_vPas电镜结构，（3）随后几个月的电鳗钠通道EeNa_v1.4电镜结构，（4，5）2018年2篇背靠背Science报道的Na_vPas与毒素复合物结构，和第一个人体钠通道Na_v1.4电镜结构，加上本次报道的Na_v1.7和Na_v1.2复合物结构（6，7）。这一系列的重要成果成功巩固了该研究组在这一领域的领先地位。我们期待这位神级科学家继续在该领域独占鳌头！

文中主要图片说明

图1 | Na_v1.7-PT和Na_v1.7-HS整体结构

（图片来自Science）

（A）Na_v1.7-β2-HS和Na_v1.7-β2-PT复合物结构。（B）Na_v1.7与β1、β2复合物结构。

图2 | Na_v1.2-β2-KIIIA的冷冻电镜分析

（图片来自Science）

（A）复合物的3D电镜重构达到3Å分辨率。（B）KIIIA的模糊结构。（C）Na_v1.2-β2-KIIIA的整体结构。（D）β2亚基与Na_v1.2、Na_v1.7的相同结合位点。（E）β2亚基与Na_v1.2胞外区域的极性相互作用。

图3 | Na_v与多肽毒素的不同相互作用模式

（图片来自Science）

目前已知结构的钠通道与毒素复合物结构。（A）Na_v1.2与特异性毒素KIIIA的复合物结构（PDB ID：6J8E）；（B）Na_vPaS与Dc1a的复合物结构（PDB ID：6A90）；（C）Na_v1.7与特异性毒素Huwentoxin-IV的复合物结构（PDB ID：6J8G）；（D）Na_v1.7与特异性毒素ProTx-II的复合物结构（PDB ID：6J8I）。

原文链接：

（1）http://science.sciencemag.org/content/363/6433/1303

（2）http://science.sciencemag.org/content/363/6433/1309

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