9月7日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在其官網(wǎng)上在線發(fā)表了最新一批論文。其中，我們很高興地看到一篇來自顏寧課題組的研究。值得一提的是，這是在過去的這個(gè)暑假里，顏寧課題組發(fā)表的第三篇《科學(xué)》長(zhǎng)文（Research Article）。在今天的這篇文章里，我們也將為各位讀者介紹和回顧這些進(jìn)展。
9月7日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在其官網(wǎng)上在線發(fā)表了最新一批論文。其中，我們很高興地看到一篇來自顏寧課題組的研究。值得一提的是，這是在過去的這個(gè)暑假里，顏寧課題組發(fā)表的第三篇《科學(xué)》長(zhǎng)文（Research Article）。在今天的這篇文章里，我們也將為各位讀者介紹和回顧這些進(jìn)展。
9月6日，顏寧課題組的這項(xiàng)最新論文正式在線發(fā)表，這是關(guān)于電壓門控鈉離子通道（Nav）的研究。盡管Nav可能對(duì)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(jié)構(gòu)，這也在很大程度上影響了我們對(duì)其作用機(jī)理的理解，限制了相應(yīng)的新療法開發(fā)。
在這項(xiàng)研究里，研究人員們使用冷凍電鏡技術(shù)，報(bào)道了人類Nav1.4-β1復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)3.2 Å。具體來看，該結(jié)構(gòu)提供了關(guān)于孔道結(jié)構(gòu)域、電壓感應(yīng)域、以及β1亞基的詳細(xì)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(chǔ)，也為其四個(gè)跨膜重復(fù)區(qū)域的動(dòng)力學(xué)不對(duì)稱性提供了新的洞見。
結(jié)構(gòu)分析也進(jìn)一步揭示了一些致病突變的作用機(jī)理。原來，如果影響到關(guān)鍵氨基酸，就會(huì)導(dǎo)致一種變構(gòu)抑制效應(yīng)，快速讓Nav通道失活。這個(gè)人類Nav結(jié)構(gòu)的闡明，不但解釋了過去的一些發(fā)現(xiàn)，還鋪平了通往未來研究的道路，使得針對(duì)Nav通道開發(fā)新藥成為了可能。
顏寧教授為學(xué)術(shù)經(jīng)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(shù)據(jù)最多的一個(gè)亞型，但電鰻的Nav1.4通道無法在非內(nèi)源體系中做電生理分析，所以沒有辦法進(jìn)行深一步的研究。人類Nav1.4通道結(jié)構(gòu)的獲得改變了這一現(xiàn)狀。今后科學(xué)家們能夠以電生理數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，獲取Nav在不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，將靜態(tài)的不同畫面拼成‘動(dòng)態(tài)電影’，最終能夠呈現(xiàn)它工作的完整過程。”
“另一方面，Nav通道是重要的制藥靶點(diǎn)，Nav1.7與Nav1.8更是很多公司開發(fā)新型止痛劑的靶標(biāo)。一直以來，很多人想獲得Nav的抗體，但是因?yàn)闆]有辦法拿到純化的蛋白，所以連抗體都沒法生成。我們這個(gè)工作的另外一重意義，就是說鈉通道也是可以體外表達(dá)，完整折疊的。這樣一個(gè)技術(shù)難關(guān)也被我們攻克了。”顏寧教授補(bǔ)充道。
這同樣是一項(xiàng)關(guān)于Nav的研究。我們知道，Nav通道在產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)信號(hào)方面具有關(guān)鍵性作用，因此，它們是多種化學(xué)殺蟲劑和人類藥物的靶點(diǎn)。同時(shí)，Nav也是神經(jīng)毒素最常見的靶點(diǎn)。神經(jīng)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(dòng)，這類神經(jīng)毒素包括河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）和石房蛤毒素（saxitoxin，STX）。第二類神經(jīng)毒素稱為門控調(diào)節(jié)毒素（gatingmodifier toxins, GMTs），它們通過復(fù)雜的別構(gòu)效應(yīng)將離子通道的構(gòu)像固定在一個(gè)狀態(tài)，從而達(dá)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(jīng)毒素的具體作用機(jī)制卻一直未能得到澄清。
在7月26日刊登在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)研究里，顏寧課題組利用冷凍電鏡技術(shù)，獲得了昆蟲Nav通道與Dc1a結(jié)合時(shí)的復(fù)合體，以及Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。它們的分辨率分別為2.8 Å、2.6 Å、和3.2 Å。通過對(duì)Nav-Dc1a復(fù)合體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，Dc1a毒素同時(shí)與Nav通道的電壓感應(yīng)域（voltage sensing domain, VSD）和孔道結(jié)構(gòu)域相結(jié)合來改變離子通道的構(gòu)像。Dc1a和鈉離子通道之間的復(fù)雜相互作用涉及到多個(gè)位于不同蛋白域的氨基酸。這些氨基酸的功能在隨后的生化實(shí)驗(yàn)中也得到了確認(rèn)。
對(duì)Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX復(fù)合體結(jié)構(gòu)的分析幫助發(fā)現(xiàn)了在Nav通道細(xì)胞膜外側(cè)與TTX和STX發(fā)生相互作用的特定氨基酸位點(diǎn)，從而為TTX和STX阻斷Nav通道的功能性研究提供了結(jié)構(gòu)學(xué)上的解釋。
這項(xiàng)研究對(duì)藥物開發(fā)還具有重要意義。因?yàn)镚MTs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發(fā)針對(duì)特定鈉離子通道亞型的藥物提供寶貴的信息。這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，GMTs與鈉離子通道相互作用的區(qū)域不僅僅局限在VSD，因此研發(fā)人員需要謹(jǐn)慎對(duì)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(jié)果。
Hedgehog（Hh）信號(hào)通路是發(fā)育生物學(xué)中的一條經(jīng)典通路，它對(duì)于胚胎發(fā)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(huì)引發(fā)癌癥。這條通路中的核心蛋白之一是名為Patched 1（Ptch1）的受體。當(dāng)這款受體蛋白與Hh蛋白相結(jié)合時(shí)，就會(huì)解除對(duì)下游蛋白的抑制，開啟信號(hào)通路。這一步對(duì)于整條通路而言意義重大，但關(guān)于其背后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，卻一直沒有得到闡明。
在這項(xiàng)研究中，顏寧課題組獲得了人類Ptch1蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)3.9 Å。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(jié)合下的復(fù)合體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)3.6 Å。通過這些冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，我們看清了Ptch1的12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和兩個(gè)細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域ECD1與ECD2。這兩個(gè)細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域在ShhN接近時(shí)，會(huì)相互靠近，組成與ShhN的結(jié)合位點(diǎn)。這一識(shí)別機(jī)制也通過生化實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。
此外，基于這些結(jié)構(gòu)，研究人員們還通過生化分析，揭示了ShhN與Ptch1相互作用時(shí)，對(duì)于類固醇的依賴性。相比之下，那些無法結(jié)合類固醇的突變Ptch1蛋白與野生型相比，展現(xiàn)出了明顯的構(gòu)象重排。
這項(xiàng)研究揭示了人類Ptch1蛋白以及Ptch1蛋白-ShhN復(fù)合體的分子結(jié)構(gòu)機(jī)制，讓我們對(duì)這一重要信號(hào)通路的關(guān)鍵步驟有了更為直觀的理解。
“做科研苦不苦？我一直不愿意用這個(gè)‘苦’字，各行各業(yè)哪有天上掉餡餅的？”顏寧教授說道：“但是‘苦’其實(shí)是一種心理感受，當(dāng)真正做進(jìn)去了，更多的時(shí)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么?？蒲惺邱R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(gè)暑期的豐收，也期待結(jié)構(gòu)生物學(xué)的進(jìn)展能不斷為我們揭示生物體的更多奧秘，帶來潛在的醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化！
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