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  • 楊帆/鄭頡聯合團隊發現離子通道感受跨膜電壓的新機制

    來源 :基礎醫學系    發布時間 :2020-09-21    瀏覽次數 :264

    一層薄薄的細胞膜,將細胞內環境與外部環境分隔開來,也在細胞膜的內外兩側之間形成了數十毫伏的電勢差。這樣的跨膜電勢差在各種生命活動中都發揮著關鍵作用。以神經系統為例,神經元的跨膜電勢差是形成神經電信號的基礎:它可以調控神經元細胞膜上的各種離子通道膜蛋白的開放與關閉,進而形成動作電位與各種神經電活動[1, 2]。那么,細胞膜上的離子通道是如何感受跨膜電壓的變化呢?自從20世紀80年代以來,隨著電壓門控鈉離子通道(Nav)和鉀離子通道(Kv)的相繼克隆[3, 4],人們很清楚的知道NavKv的第四個跨膜螺旋(S4)上存在規則排布的4-5個帶正電的氨基酸,它們可以在附近帶負電氨基酸的配合下,感受跨膜電壓的變化,在跨膜電壓去極化時向上移動,進而拉動離子通道的開放[5]。然而,在世紀之交,隨著一系列瞬時受體電位(Transient Receptor Potential,TRP)離子通道的發現[6],經典的S4電壓感受器理論面臨挑戰:很多TRP通道可以像NavKv通道那樣被跨膜電壓直接激活,但是TRP通道的S4上面僅有1個甚至沒有帶正電荷的氨基酸,那么TRP通道是如何感受跨膜電壓的呢?

    2020921日,浙江大學基礎醫學院生物物理學系的楊帆課題組和來自美國加州大學戴維斯分校的鄭劼課題組在Advanced Science雜志上發表研究論文 “An unorthodox mechanism underlying voltage sensitivity of TRPV1 ion channel”,以TRPV1通道為例來探索新的跨膜電壓感受機制。

    該論文首先采用了基于電生理的平滑函數分析等生物物理方法[7],精確測定了TRPV1通道上感受跨膜電壓的電荷(Gating Charge)的數量為0.93 個電子(e0),避免了直接采用玻爾茲曼方程擬合電導-電壓(G-V)曲線而造成的對Gating Charge的低估。和經典的Nav、Kv通道(約13 e0)相比,TRPV1Gating Charge明顯偏少。那么TRPV1上的這近似1個的Gating Charge是否來源于其S4上的一個正電荷氨基酸R558呢?

    該研究團隊將TRPV1S4R558突變去除正電荷后,突變體的Gating Charge仍然不變,表明TRPV1通道不利用S4來進行跨膜電壓的感受。該研究進而探索了TRPV1是否通過利用陽離子跨膜流動或者帶電大分子從胞內側堵孔這樣兩種在K2P通道與Kir通道上被證明了的機制來感受跨膜電壓,卻都得到了陰性結果。因此,TRPV1通道更有可能采用一種前所未知的機制來實現跨膜電壓感受。

    為了找出TRPV1通道Gating Charge的來源,該研究團隊將位于孔區的所有帶電荷氨基酸逐一突變,去除電荷,但是仍然未能減少TRPV1Gating Charge。但是,該研究團隊發現,當降低胞外的pH4.0,將帶負電的氨基酸的電荷中和后,Gating Charge降至約一半至0.55 e0,提示位于孔區的帶負電的氨基酸可能集體參與了Gating Charge的形成,且由帶負電氨基酸的pKa數值估算的電荷變化與Gating Charge的下降數量相符。

    TRPV1通道可以被胞外側的低pH直接激活,那么低pH導致的Gating Charge下降會不會是氫離子激活造成的假象呢?該研究團隊運用單通道電生理,詳細測量了不同電壓下TRPV1通道的開放概率數值,并結合已有數據,構建了可以定量地、系統性地描述TRPV1通道開放概率與電壓、低pH和辣椒素三種激動方式關系的變構門控模型(allosteric gating model)。通過該模型,發現跨膜電壓和低pH通過相同的變構途徑來激活TRPV1通道,進而提示這兩種激活方式共享相同的結構機制。

    該研究團隊進一步通過FRET熒光成像,揭示了低pH引起的孔區外側的動態構象變化;并通過在不同pH下應用Rosetta進行計算建模,獲得了TRPV1通道孔區外側在低pH激活時的三維結構模型。通過比較該模型與在中性pH下獲得TRPV1通道結構,可以發現TRPV1通道孔區的帶電氨基酸發生了廣泛的構象變化,而這些構象變化帶來的所有電荷的部分跨電場運動,足以等效于一個電子的完整跨膜運動,故而很好地解釋了TRPV1通道Gating Charge的來源。

    總之,該研究提出了TRPV1通道通過一種全新的機制來感受跨膜電壓,即孔區的帶電荷氨基酸集體參與電壓感受,推進了我們對膜蛋白特別是離子通道跨膜電壓感受機制的認識。該研究的第一作者和共同通訊作者為浙江大學基礎醫學院生物物理學系的楊帆研究員,美國加州大學戴維斯分校的鄭劼教授為共同通訊作者。浙江大學博士生徐麗臻、加州大學戴維斯分校博士生Bo Hyun Lee、西湖大學副研究員肖弦和加州大學戴維斯分校Vladimir Yarov-Yarovoy教授參與該研究。楊帆研究員得到了國自然面上項目、青年項目、浙江省杰青項目等的資助,該研究也得到了浙江大學醫學院公共技術平臺在成像與計算上的支撐。

    原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000575

    參考文獻

    1. Hille, B., Ion channels of excitable membranes. 3rd ed. 2001, Sunderland, Mass.: Sinauer.

    2. Zheng, J. and M.C. Trudeau, Handbook of ion channels. 2015, Boca Raton, FL: CRC Press. 671 pages.

    3. Catterall, W.A., From ionic currents to molecular mechanisms: the structure and function of voltage-gated sodium channels. Neuron, 2000. 26(1): p. 13-25.

    4 Jan, L.Y. and Y.N. Jan, Voltage-gated potassium channels and the diversity of electrical signalling. J Physiol, 2012. 590(11): p. 2591-9.

    5. Sigworth, F.J., Voltage gating of ion channels. Q Rev Biophys, 1994. 27(1): p. 1-40.

    6. Montell, C., L. Birnbaumer, V. Flockerzi, R.J. Bindels, E.A. Bruford, M.J. Caterina, D.E. Clapham, C. Harteneck, S. Heller, D. Julius, I. Kojima, Y. Mori, R. Penner, D. Prawitt, A.M. Scharenberg, G. Schultz, N. Shimizu, and M.X. Zhu, A unified nomenclature for the superfamily of TRP cation channels. Mol Cell, 2002. 9(2): p. 229-31.

    7. Horrigan, F.T. and R.W. Aldrich, Coupling between voltage sensor activation, Ca2+ binding and channel opening in large conductance (BK) potassium channels. J Gen Physiol, 2002. 120(3): p. 267-305.

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