70天里第3篇Science！颜宁课题组喜讯不断

　　来源：学术经纬

　　今日，顶尖学术期刊《科学》杂志在其官网上在线发表了最新一批论文。其中，我们很高兴地看到一篇来自颜宁课题组的研究。值得一提的是，这是在过去的这个暑假里，颜宁课题组发表的第三篇《科学》长文（Research Article）。在今天的这篇文章里，我们也将为各位读者介绍和回顾这些进展。


图片来源：普林斯顿大学

　　9月6日在线发表：Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with β1

　　9月6日，颜宁课题组的这项最新论文正式在线发表，这是关于电压门控钠离子通道（Nav）的研究。尽管Nav可能对许多人类疾病有着潜在影响，但几十年来的大量探索，依旧没有解析出任何来自人类的Nav通道结构，这也在很大程度上影响了我们对其作用机理的理解，限制了相应的新疗法开发。


人类Nav1.4-β1复合体的结构（图片来源：《科学》）

　　在这项研究里，研究人员们使用冷冻电镜技术，报道了人类Nav1.4-β1复合体的结构，分辨率达3.2 ?。具体来看，该结构提供了关于孔道结构域、电压感应域、以及β1亚基的详细信息，让我们了解了人类Nav1.4通道在钠离子渗透性上的分子基础，也为其四个跨膜重复区域的动力学不对称性提供了新的洞见。

　　结构分析也进一步揭示了一些致病突变的作用机理。原来，如果影响到关键氨基酸，就会导致一种变构抑制效应，快速让Nav通道失活。这个人类Nav结构的阐明，不但解释了过去的一些发现，还铺平了通往未来研究的道路，使得针对Nav通道开发新药成为了可能。

　　颜宁教授为学术经纬的读者们介绍了该研究的重要性：“Nav1.4几乎是所有钠通道中功能研究最全面、生物物理数据最多的一个亚型，但电鳗的Nav1.4通道无法在非内源体系中做电生理分析，所以没有办法进行深一步的研究。人类Nav1.4通道结构的获得改变了这一现状。今后科学家们能够以电生理数据为指导，获取Nav在不同状态下的结构，将静态的不同画面拼成‘动态电影’，最终能够呈现它工作的完整过程。”

　　“另一方面，Nav通道是重要的制药靶点，Nav1.7与Nav1.8更是很多公司开发新型止痛剂的靶标。一直以来，很多人想获得Nav的抗体，但是因为没有办法拿到纯化的蛋白，所以连抗体都没法生成。我们这个工作的另外一重意义，就是说钠通道也是可以体外表达，完整折叠的。这样一个技术难关也被我们攻克了。”颜宁教授补充道。

　　相关论文：Pan et al。， （2018）。Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with β1。 Science，https：//doi.org/10.1126/science.aau2486

　　7月26日在线发表：Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins

　　这同样是一项关于Nav的研究。我们知道，Nav通道在产生神经冲动信号方面具有关键性作用，因此，它们是多种化学杀虫剂和人类药物的靶点。同时，Nav也是神经毒素最常见的靶点。神经毒素靶向钠离子通道的方法可以分为两类：第一类称为孔隙阻滞剂（pore blocker），它们通过堵塞离子通道孔隙来抑制钠离子的流动，这类神经毒素包括河豚毒素（tetrodotoxin， TTX）和石房蛤毒素（saxitoxin，STX）。第二类神经毒素称为门控调节毒素（gatingmodifier toxins， GMTs），它们通过复杂的别构效应将离子通道的构像固定在一个状态，从而达到抑制或激活离子通道的效果，其中包括蜘蛛毒素Dc1a。但是，这两类神经毒素的具体作用机制却一直未能得到澄清。

　　在7月26日刊登在《科学》杂志上的这项研究里，颜宁课题组利用冷冻电镜技术，获得了昆虫Nav通道与Dc1a结合时的复合体，以及Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX复合体的冷冻电镜结构。它们的分辨率分别为2.8 ?、2.6 ?、和3.2 ?。通过对Nav-Dc1a复合体结构进行分析，研究人员发现，Dc1a毒素同时与Nav通道的电压感应域（voltage sensing domain， VSD）和孔道结构域相结合来改变离子通道的构像。Dc1a和钠离子通道之间的复杂相互作用涉及到多个位于不同蛋白域的氨基酸。这些氨基酸的功能在随后的生化实验中也得到了确认。


▲NavPaS与Dc1a的复合体结构（图片来源：《科学》）

　　对Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX复合体结构的分析帮助发现了在Nav通道细胞膜外侧与TTX和STX发生相互作用的特定氨基酸位点，从而为TTX和STX阻断Nav通道的功能性研究提供了结构学上的解释。

　　这项研究对药物开发还具有重要意义。因为GMTs与孔隙阻滞剂相比具备更高的选择性，因此它们的行为可以为研发针对特定钠离子通道亚型的药物提供宝贵的信息。这项研究的结果表明，GMTs与钠离子通道相互作用的区域不仅仅局限在VSD，因此研发人员需要谨慎对待只使用钠离子通道的VSD片段得出的描述GMTs行为的研究结果。

　　相关论文：Shen， et al。， （2018）。 Structural basis for the modulation of voltage-gated sodiumchannels by animal toxins。 Science， https：//doi.org/10.1126/science.aau2596

　　6月28日在线发表：Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1

　　Hedgehog（Hh）信号通路是发育生物学中的一条经典通路，它对于胚胎发育有着极为重要的作用。在成人中，倘若这条通路被过度激活，就可能会引发癌症。这条通路中的核心蛋白之一是名为Patched 1（Ptch1）的受体。当这款受体蛋白与Hh蛋白相结合时，就会解除对下游蛋白的抑制，开启信号通路。这一步对于整条通路而言意义重大，但关于其背后的结构基础，却一直没有得到阐明。

　　在这项研究中，颜宁课题组获得了人类Ptch1蛋白的冷冻电镜结构，分辨率达3.9 ?。此外，研究人员们也得到了Ptch1与Hh同源的Shh蛋白N段（ShhN）相结合下的复合体冷冻电镜结构，分辨率达3.6 ?。通过这些冷冻电镜结构，我们看清了Ptch1的12个跨膜结构域和两个细胞外结构域ECD1与ECD2。这两个细胞外结构域在ShhN接近时，会相互靠近，组成与ShhN的结合位点。这一识别机制也通过生化实验得到了证实。


▲ Ptch1单独或与ShhN结合时的结构（图片来源：《科学》）

　　此外，基于这些结构，研究人员们还通过生化分析，揭示了ShhN与Ptch1相互作用时，对于类固醇的依赖性。相比之下，那些无法结合类固醇的突变Ptch1蛋白与野生型相比，展现出了明显的构象重排。

　　这项研究揭示了人类Ptch1蛋白以及Ptch1蛋白-ShhN复合体的分子结构机制，让我们对这一重要信号通路的关键步骤有了更为直观的理解。

　　相关论文：Gong， et al。， （2018）。 Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by humanPatched1。 Science， https：//doi.org/10.1126/science.aas8935

　　“做科研苦不苦？我一直不愿意用这个‘苦’字，各行各业哪有天上掉馅饼的？”颜宁教授说道：“但是‘苦’其实是一种心理感受，当真正做进去了，更多的时候是一种不由自主的废寝忘食、神魂颠倒。而等到做出来那一刻的狂喜，似乎之前的种种都不算什么。科研是马拉松，不是短跑，哪有做出做不出，只有放弃不放弃。”

　　我们祝贺颜宁教授课题组在这个暑期的丰收，也期待结构生物学的进展能不断为我们揭示生物体的更多奥秘，带来潜在的医学转化！