Cell|鄭寧組等通過cryoEM技術解析鼠源NaV1.5結構

　　心臟有節律的跳動是鈉、鉀、鈣等多種離子通道的協調功能及精細調控完成的。心肌細胞的收縮起始于動作電位的產生，而其中跨膜的快速去極化則依賴于一個能引起鈉離子快速內流的特殊電壓門控鈉離子通道，NaV1.5（Voltage-gated Sodium Channel 1.5）。作為心臟中最主要的鈉離子通道， NaV1.5的突變或功能異常會引起心律不齊，威脅人類健康。NaV1.5也因此是臨床上常用的一類抗心律不齊藥物(Anti-arrhythmic Drug Class I)的直接靶點。

　　真核NaV通道通常是由一個大約250 kDa可以通透鈉離子的大亞基和一到兩個大約30 kDa小亞基組成的復合體。在哺乳動物中，9種NaV亞型（NaV1.1-1.9）組織特異性地表達于可興奮細胞中。NaV1.1-3和NaV1.6主要表達在中樞神經系統細胞中，NaV1.7-9分布于周圍神經系統中；NaV1.4表達于骨骼肌細胞中；而NaV1.5主要存在于心肌細胞中。清華大學顏寧教授從2017年開始先后發表了多個真核NaV高分辨率冷凍電鏡（cryo-EM）結構，揭示了NaV通道高度的結構一致性【1-4】。鑒于NaV1.5對維持心臟有節律跳動發揮極其重要的作用，深度解析NaV1.5的結構與功能的關系仍然具有重大意義。比如，目前已知超過350個位于NaV1.5氨基酸點突變會導致例如Brugada Syndrome Type 1，Long-QT Type 3和Atrial Fibrillation Familial 10等多種心率不齊疾病。這些點突變的致病機理以及一類抗心律不齊藥物如何和NaV1.5相互作用都是有待解決的關鍵問題。

　　2019年12月19日，來自華盛頓大學William A. Catterall和鄭寧課題組合作在Cell雜志上在線發表了題為Structure of the Cardiac Sodium Channel的研究論文，作者利用冷凍電鏡cryo-EM技術，解析了鼠源NaV1.5以及NaV1.5結合抗心律不齊藥物flecainide復合物的高分辨率結構。通過結合功能性研究，該論文不僅揭示了NaV1.5的特異結構與功能的關系，也為普遍理解NaV的激活，失活，及鈉離子選擇性提供了精細的結構分析及假說（圖1）。

圖1

　　NaV1.5的結構復雜性為蛋白表達和純化帶來挑戰。作者通過熒光分子篩方法篩選截短體克隆以提高蛋白表達量和樣品均一性。通過膜片鉗驗證了截短體具有和野生型相似的功能。最終解析了NaV1.5分辨率為3.5 ?的cryo-EM結構。由于超過70%的序列一致性，NaV1.5的整體結構和此前發表的人源NaV1.7等結構非常相似。然而，NaV1.5在一些細微處與其他Nav有所不同。比如，它在本該結合小亞基的界面演化出了不相容的氨基酸。這些看似微小的區別在NaV1.5的特異功能上或許會有重大影響。離子選擇性一直是離子通道研究中的核心問題。作者發現對真核NaV離子選擇性起最重要作用的氨基酸Lys1421將自己的側鏈深入到離子選擇性濾器（Selectivity Filter）中。帶正電的Lys1421擋在同樣帶正電的鈉離子的狹窄的通道上，那么鈉離子是如何通過的呢？通過對NaV1.5結構深入分析，作者提出了一種“電荷轉移模型”假設。通過與鄰近氨基酸主鏈的羰基氧相互作用，Lys1421的正電荷或許被轉移了。這樣電中性的Lys1421就可以與鈉離子形成配位并讓其通過。

　　除了NaV1.5的自身結構，作者還解析了NaV1.5結合flecainide分辨率的3.24 ?的復合物結構。根據阻斷NaV1.5通透鈉離子流的強弱，一類抗心律不齊藥物分為IA，IB和IC 3類。 Flecainide屬于IC類，廣泛應用于治療例如房顫（Atrial Fibrillation）等心房心律不齊類疾病。在復合物結構中，flecainide結合于NaV1.5第二結構域（DII）和第三結構域（DIII）形成的開口處，其疏水的“身體”部分被三個苯丙氨酸像“三明治”一樣夾住，而帶電的哌啶環“頭部”深入到通道中央空腔，并阻礙鈉離子流的通過。

　　綜上所述，通過解析心肌細胞鈉離子通道NaV1.5和抗心律不齊藥物的復合物的高分辨率結構，本文作者為理解抗心律不齊藥物如何阻斷NaV1.5以及新的抗心律不齊藥物開發提供了結構基礎。這是繼2019年上半年William A. Catterall和鄭寧課題組報道電壓門控鈉通道靜息結構【5】后又一重要研究成果。

　　參考文獻

　　1. Shen, H. et al. Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channelat near-atomic resolution. Science 355, eaal4326 (2017).

　　2. Pan, X. et al. Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with β1. Science 362, eaau2486 (2018).

　　3. Shen, H. et al. Structures of human Nav1.7 channel in complex withauxiliary subunits and animal toxins. Science 363, aaw2493 (2019).

　　4. Pan, X. et al. Molecular basis for pore blockade of human Na+ channelNav1.2 by the μ-conotoxin KIIIA. Science, eaaw2999 (2019).

　　5. Goragot Wisedchaisri et al. Resting-State Structure and Gating Mechanismof a Voltage-Gated Sodium Channel. Cell 178, issue 4 (2019)