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南开大学沈月全组揭示Orai通道的激活机制和钙离子跨膜传导机制

2019-11-17 18:58:45
南开大学沈月全组揭示Orai通道的激活机制和钙离子跨膜传导机制

2019年4月23日,南开大学沈月全课题组在PLOS Biology上发表题为Molecular understanding of calcium permeation through the open Orai channel的长文,该研究利用了X-射线晶体学和冷冻电镜的方法解析了激活态Orai的三维结构,并且结合生物化学、细胞生物学和电生理方法成功的阐释了Orai通道的激活机制及其钙离子通透机制。

南开大学沈月全课题组长期关注SOCE过程。在2012年,课题组在PNAS上首次报道了STIM1蛋白的活性结构域的晶体结构,提出了STIM1蛋白激活Orai1通道的分子机制 ;2017年,课题组又在Nature Communication发表长文阐释了钙调素蛋白CaM可以解离活化的STIM1和Orai1形成的复合体,从而负调控SOCE进程 。但是目前Orai通道是如何被激活,并且如何通透钙离子还不清楚。

在这项研究中,作者首先利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术解析了激活态Orai通道的晶体结构。结构显示激活态Orai通道呈现六聚体组装。然后通过比较闭合态和激活态的Orai通道结构发现,通道的激活是由位于六聚体外侧的螺旋通过摆动,诱导六聚体中心的螺旋在胞内侧张开来完成的。意料之外的是,离子通透的疏水门控区域在激活前后没有发现构象差别,这与已经报道的其他疏水门控的离子通道十分不同。结合实验数据,作者提出了一个新颖的钙离子通透机理。Orai通道在闭合状态下,六聚体被最外侧螺旋紧紧缠绕,使细胞质一侧的离子通透孔处于收缩状态(下图)。

此时,Orai通过正电荷排斥和负离子塞子共同相互作用来阻止Ca2+通透。当Orai通道打开时,六聚体最外侧螺旋摆动,从而拉动六聚体中心的螺旋在胞内侧向外扭曲,暴露碱性氨基酸富集区,因此能够吸引并聚集负离子。这些负离子不仅可以中和通道内的正电荷以减少电荷排斥,还可以增加通道内部质膜两侧的电位梯度。在这种情况下,通道内的钙离子一方面受到细胞外钙离子的排斥作用,起到一个“推”的作用;另一方面又受到细胞内负电荷吸引,起到一个“拉”的作用。钙离子在这样的“推-拉”合力下,通过疏水门控区域,进入到细胞内。

总之,本文中提出的这一负离子辅助的钙离子通透机制是在离子通道中首次被提出。这一研究对于更好的理解钙通道调控的钙离子信号传导及其药理学作用提供了重要的分子基础。

关于钙离子的相关背景知识

钙离子是细胞中非常重要的第二信使,钙信号转导在生物体的整个生命进程中都是必不可少的。内质网钙库调控的胞外钙离子内流进程(store-operated calcium entry ,SOCE)是哺乳动物中胞外钙离子内流的主要途径之一,而且是非兴奋细胞中钙信号调控的中心机制。SOCE过程起始于细胞外配体与细胞外膜上的受体结合,引发内质网中储存的钙离子释放,激活位于内质网上的钙离子感受器STIM(stromal interaction molecule)蛋白,STIM蛋白聚集随后迁移至内质网-质膜(ER-PM)的连接处,结合并激活位于质膜上的钙离子通道Orai。

Orai蛋白属于钙库调控的钙离子通道(SOC)家族,与目前发现的其他钙离子通道性质完全不同,其特点包括电压非依赖性,极低的电导和极高的Ca2+选择性。Orai1通道异常与多种疾病密切相关,包括免疫缺陷,肌张力减退、肾小管聚集性肌病(TAM)和Stormorken 综合征。

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