70天里第3篇Science！顏寧課題組喜訊不斷

圖片來源：普林斯頓大學

本文轉載自「學術經緯」。

9月6日在線發表

9月6日，顏寧課題組的這項最新論文正式在線發表，這是關於電壓門控鈉離子通道（Nav）的研究。儘管Nav可能對許多人類疾病有著潛在影響，但幾十年來的大量探索，依舊沒有解析出任何來自人類的Nav通道結構，這也在很大程度上影響了我們對其作用機理的理解，限制了相應的新療法開發。

人類Nav1.4-β1複合體的結構（圖片來源：《科學》）

在這項研究里，研究人員們使用冷凍電鏡技術，報道了人類Nav1.4-β1複合體的結構，解析度達3.2 ?。具體來看，該結構提供了關於孔道結構域、電壓感應域、以及β1亞基的詳細信息，讓我們了解了人類Nav1.4通道在鈉離子滲透性上的分子基礎，也為其四個跨膜重複區域的動力學不對稱性提供了新的洞見。

結構分析也進一步揭示了一些致病突變的作用機理。原來，如果影響到關鍵氨基酸，就會導致一種變構抑制效應，快速讓Nav通道失活。這個人類Nav結構的闡明，不但解釋了過去的一些發現，還鋪平了通往未來研究的道路，使得針對Nav通道開發新葯成為了可能。

顏寧教授為學術經緯的讀者們介紹了該研究的重要性：「Nav1.4幾乎是所有鈉通道中功能研究最全面、生物物理數據最多的一個亞型，但電鰻的Nav1.4通道無法在非內源體系中做電生理分析，所以沒有辦法進行深一步的研究。人類Nav1.4通道結構的獲得改變了這一現狀。今後科學家們能夠以電生理數據為指導，獲取Nav在不同狀態下的結構，將靜態的不同畫面拼成『動態電影』，最終能夠呈現它工作的完整過程。」

「另一方面，Nav通道是重要的製藥靶點，Nav1.7與Nav1.8更是很多公司開發新型止痛劑的靶標。一直以來，很多人想獲得Nav的抗體，但是因為沒有辦法拿到純化的蛋白，所以連抗體都沒法生成。我們這個工作的另外一重意義，就是說鈉通道也是可以體外表達，完整摺疊的。這樣一個技術難關也被我們攻克了。」顏寧教授補充道。

相關論文：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日在線發表

Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins

這同樣是一項關於Nav的研究。我們知道，Nav通道在產生神經衝動信號方面具有關鍵性作用，因此，它們是多種化學殺蟲劑和人類藥物的靶點。同時，Nav也是神經毒素最常見的靶點。神經毒素靶向鈉離子通道的方法可以分為兩類：第一類稱為孔隙阻滯劑（pore blocker），它們通過堵塞離子通道孔隙來抑制鈉離子的流動，這類神經毒素包括河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）和石房蛤毒素（saxitoxin，STX）。第二類神經毒素稱為門控調節毒素（gatingmodifier toxins, GMTs），它們通過複雜的別構效應將離子通道的構像固定在一個狀態，從而達到抑制或激活離子通道的效果，其中包括蜘蛛毒素Dc1a。但是，這兩類神經毒素的具體作用機制卻一直未能得到澄清。

在7月26日刊登在《科學》雜誌上的這項研究里，顏寧課題組利用冷凍電鏡技術，獲得了昆蟲Nav通道與Dc1a結合時的複合體，以及Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX複合體的冷凍電鏡結構。它們的解析度分別為2.8 ?、2.6 ?、和3.2 ?。通過對Nav-Dc1a複合體結構進行分析，研究人員發現，Dc1a毒素同時與Nav通道的電壓感應域（voltage sensing domain, VSD）和孔道結構域相結合來改變離子通道的構像。Dc1a和鈉離子通道之間的複雜相互作用涉及到多個位於不同蛋白域的氨基酸。這些氨基酸的功能在隨後的生化實驗中也得到了確認。

NavPaS與Dc1a的複合體結構（圖片來源：《科學》）

對Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX複合體結構的分析幫助發現了在Nav通道細胞膜外側與TTX和STX發生相互作用的特定氨基酸位點，從而為TTX和STX阻斷Nav通道的功能性研究提供了結構學上的解釋。

這項研究對藥物開發還具有重要意義。因為GMTs與孔隙阻滯劑相比具備更高的選擇性，因此它們的行為可以為研髮針對特定鈉離子通道亞型的藥物提供寶貴的信息。這項研究的結果表明，GMTs與鈉離子通道相互作用的區域不僅僅局限在VSD，因此研發人員需要謹慎對待只使用鈉離子通道的VSD片段得出的描述GMTs行為的研究結果。

相關論文：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日在線發表

Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1

Hedgehog（Hh）信號通路是發育生物學中的一條經典通路，它對於胚胎髮育有著極為重要的作用。在成人中，倘若這條通路被過度激活，就可能會引發癌症。這條通路中的核心蛋白之一是名為Patched 1（Ptch1）的受體。當這款受體蛋白與Hh蛋白相結合時，就會解除對下游蛋白的抑制，開啟信號通路。這一步對於整條通路而言意義重大，但關於其背後的結構基礎，卻一直沒有得到闡明。

在這項研究中，顏寧課題組獲得了人類Ptch1蛋白的冷凍電鏡結構，解析度達3.9 ?。此外，研究人員們也得到了Ptch1與Hh同源的Shh蛋白N段（ShhN）相結合下的複合體冷凍電鏡結構，解析度達3.6 ?。通過這些冷凍電鏡結構，我們看清了Ptch1的12個跨膜結構域和兩個細胞外結構域ECD1與ECD2。這兩個細胞外結構域在ShhN接近時，會相互靠近，組成與ShhN的結合位點。這一識別機制也通過生化實驗得到了證實。

Ptch1單獨或與ShhN結合時的結構（圖片來源：《科學》）

此外，基於這些結構，研究人員們還通過生化分析，揭示了ShhN與Ptch1相互作用時，對於類固醇的依賴性。相比之下，那些無法結合類固醇的突變Ptch1蛋白與野生型相比，展現出了明顯的構象重排。

這項研究揭示了人類Ptch1蛋白以及Ptch1蛋白-ShhN複合體的分子結構機制，讓我們對這一重要信號通路的關鍵步驟有了更為直觀的理解。

相關論文：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？我一直不願意用這個『苦』字，各行各業哪有天上掉餡餅的？」顏寧教授說道：「但是『苦』其實是一種心理感受，當真正做進去了，更多的時候是一種不由自主的廢寢忘食、神魂顛倒。而等到做出來那一刻的狂喜，似乎之前的種種都不算什麼。科研是馬拉松，不是短跑，哪有做出做不出，只有放棄不放棄。」

我們祝賀顏寧教授課題組在這個暑期的豐收，也期待結構生物學的進展能不斷為我們揭示生物體的更多奧秘，帶來潛在的醫學轉化！

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