2015年12月18日，實驗室顏寧研究組在《科學(xué)》(Science)雜志上以長文(Research Article)的形式發(fā)表題為《電壓門控鈣離子通道復(fù)合物Cav1.1的三維結(jié)構(gòu)》(Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 complex)的研究論文，首次報道了真核生物電壓門控鈣離子通道的4.2埃分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，為理解其功能提供了重要的線索。

　　曾運(yùn)雄教授介紹： 鈣離子(Ca2+)是生物體內(nèi)重要的第二信使，在肌肉收縮、神經(jīng)信號傳遞、腺體分泌、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及細(xì)胞凋亡等眾多生命過程中扮演重要角色。細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度一般遠(yuǎn)低于細(xì)胞外或者內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的鈣庫。電壓門控鈣離子通道響應(yīng)細(xì)胞膜電位變化而激活，運(yùn)輸Ca2+進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)而引發(fā)一系列下游信號通路。

　　Cav1.1(也叫dihydropyridine receptor，DHPR)是最早被鑒定出的電壓門控鈣離子通道，主要位于骨骼肌細(xì)胞的橫小管(transverse tubule)，是肌肉興奮收縮偶聯(lián)(excitation-contraction(E-C)coupling)過程中的關(guān)鍵蛋白。骨骼肌細(xì)胞在興奮信號作用下會導(dǎo)致膜電位的變化，Cav1.1 在感受膜電位變化后與肌質(zhì)網(wǎng)膜上的RyR1蛋白發(fā)生相互作用，導(dǎo)致RyR1將肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+快速大量釋放到肌細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)而引起骨骼肌收縮。

　　Cav1.1及其他電壓門控鈣離子通道是由四個亞基組成的蛋白復(fù)合體，分別為a1, a2d, b和g。其中a1亞基是鈣離子通道亞基，負(fù)責(zé)運(yùn)輸Ca2+。它與電壓門控鈉離子通道(Nav)的結(jié)構(gòu)相似，由一條肽鏈折疊成四個相似的結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域包含六根跨膜螺旋(S1-S6)。四組S5、S6以及他們之間的序列組成了鈣離子運(yùn)輸通道(pore region)，而每一個結(jié)構(gòu)域中的S1-S4則形成電壓感應(yīng)器(voltage-sensing domains，VSDs)。Cav1.1的其他亞基不參與鈣離子運(yùn)輸，但對通道的電壓感受、電生理特征、以及細(xì)胞定位等有重要的調(diào)控作用，因此也被稱為輔助性亞基(auxiliary subunits)。

　　曾運(yùn)雄教授介紹：電壓門控鈣離子通道與許多疾病相關(guān)聯(lián)，如低鉀性周期癱瘓(hypokalemic periodic paralysis)、心率紊亂(cardiac arrhythmia)、癲癇(epileptic seizure)，等等，因此它們是重要的藥物靶點。有很多小分子能夠結(jié)合Cav的a1亞基，激活或者抑制其對 Ca2+運(yùn)輸能力。另外，目前已經(jīng)上市的治療癲癇癥和神經(jīng)痛的兩種藥物gabapentin和pregabalin就是作用在Cav的a2d亞基上。

　　盡管目前有鈣(鈉)離子通道原核同源蛋白晶體結(jié)構(gòu)的報道，但它們的通道亞基是由四條相同的肽鏈組成的同源四聚體，并且沒有輔助性亞基。因此為了更好地理解真核電壓門控鈣離子通道的結(jié)構(gòu)與功能，諸多實驗室一直致力于解析真核鈣離子或鈉離子通道的結(jié)構(gòu)，但由于技術(shù)難度，此前只有低分辨(~20 ?)的電鏡結(jié)構(gòu)。

　　在最新的《科學(xué)》論文中，顏寧研究組另辟蹊徑，探索了新的蛋白提純方法，最終獲得了性質(zhì)良好的蛋白樣品。利用單顆粒冷凍電鏡方法，重構(gòu)出了分辨率為4.2 ?的兔源Cav1.1蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，首次展示了Cav1.1各個亞基的相互作用界面和亞基內(nèi)部結(jié)構(gòu)域的分布情況，揭示了各個輔助亞基(a2d，b，g)調(diào)控離子通道亞基(a1)的分子機(jī)理，為理解真核 Cav和Nav的功能以及它們與疾病相關(guān)的機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　至此，顏寧實驗室已經(jīng)解析了肌肉興奮收縮通路上的膜蛋白，包括電壓門控鈉離子通道(細(xì)菌同源蛋白NavRh)、電壓門控鈣離子通道、以及最大的鈣離子通道RyR1的結(jié)構(gòu)，從而為理解這一基本生理過程的分子機(jī)理打下重要基礎(chǔ)。

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