【心動信號如何傳輸?科學家揭開結構祕密】心律不齊作為常見的心血管疾病,多發於老年人群。然而,伴隨著生活方式的轉變,中青年人群的患病幾率也越來越大。

當我們的心臟跳動時,心肌細胞的收縮與舒張依靠一種微小但卻十分精細的電信號來控制,在細胞內部和細胞之間有著鈉、鉀、鈣等離子通道,當這些通道發生故障時,就會導致心臟不規則跳動。

近日,中國科學院物理研究所與美國華盛頓大學合作發表於《細胞》的一項研究,解析了鈉通道突變體NaV1.5/QQQ處於開放狀態的冷凍電鏡結構,揭示了抗心律不齊藥物普羅帕酮(Propafenone)與開放狀態鈉通道的結合位點。這將為開發新的抗心律不齊藥物提供結構基礎。

心臟跳動,離不開Nav1.5

電壓門控離子通道在人體眾多生理過程中扮演著重要角色,如基因表達、神經信號傳遞、肌肉收縮、神經退行性疾病、心臟病、精神疾病等。離子通道蛋白是目前僅次於GPCR(G蛋白偶聯受體)的第二大藥物治療靶點。

鈉離子參與著心臟跳動、神經系統調控、肌肉收縮等生理過程。電壓門控鈉離子通道(Nav)蛋白家族包括9個成員,即Nav1.1-1.9,這些成員的序列相似,同時具有組織特異性,Nav1.1-1.3主要分布在人體的大腦中樞神經系統中,Nav1.4分布在骨骼肌中,Nav1.5分布在心臟中,Nav1.6-1.9分布在周邊神經系統中。

當心肌細胞的膜電位發生變化時,Nav1.5會被立即激活,開啟通道閘門,以便使Na+順利從細胞膜外進入膜內,此時,Nav處於開放態。當一定量的Na+進入膜內後,產生了新的動作電位,心肌細胞收縮。為了避免因過多Na+內流造成細胞受傷,Nav會隨即關閉,進入失活態。至此,就完成了一次信號傳遞,也就完成了一次心臟跳動。

近年來,中國科學院物理研究所特聘研究員薑道華一直致力於解析Nav1.5的結構及其與臨床藥物分子的相互作用,2020年,尚在美國華盛頓大學做博士後的他曾和合作者一起,解析了心肌細胞NaV1.5在失活態的結構。

捕捉5毫秒的狀態

雖然目前已有如利多卡因、氟卡尼和奎尼丁等抗心律不齊藥物,臨床上已應用了十幾年,其效果也比較顯著。但一個關鍵問題是,這些藥物都有副作用。

“由於Nav的9個成員序列的相似性,當治療藥物作用於Nav1.5時,往往也會對其他成員造成影響,這就不可避免地帶來惡心、暈厥等副作用。因此,大家希望能設計出有定向選擇性的藥物小分子,只對Nav1.5起作用。”薑道華告訴《中國科學報》,因此,解析其在不同構象的結構至關重要,能夠為設計藥物的提供結構基礎。

據了解,對於心臟中Nav1.5而言,每次激活之後的開放狀態僅僅維持5毫秒左右,是一個非常難以捕捉的狀態。

如何才能抓住這一瞬間的動態並將其展示出來呢?

研究結果表明,在Nav1.5關閉時,需要一個名為IFM motif的結構域的幫助,IFM motif像一個塞子一樣,堵在了通道上,以阻隔離子的傳輸。

“利用點突變的方法,我們將IFM motif突變成氨基酸QQQ,形成IFM/QQQ突變體後,它便無法發揮‘塞子’的功能,如此一來,Nav1.5便能一直保持開放狀態。”薑道華說。

但很快,研究人員們又遇到了新的問題:Nav一直保持開放狀態,Na+就源源不斷地從膜外進入細胞內,還沒等結構被純化出,細胞就會因Na+濃度過高而死。

“這里就用到了抗心律不齊的藥物小分子,通過反複篩選,我們發現,普羅帕酮作為阻斷劑被作用於Nav1.5時,能夠有效緩解細胞毒性。”薑道華說。

他介紹,“隨後,我們利用冷凍電鏡解析了3.4埃解析度的開放態鈉通道的結構,從原子水平上揭示了鈉通道快速打開、快速失活和開放態阻斷的結構基礎。”

助力抗心律不齊藥物研發

三維重構圖顯示,Nav1.5的四個亞基相互交曡,組成了一個近似長方體的中央通道,當它處於開放態時,四個亞基分別向外移動0.6納米的距離,即一根頭髮絲的約1/80000。而當通道關閉時,四個亞基又恢復原位。

“鈉離子通道真是非常非常精巧,只需要小小的移動,便可完成從開放狀態到關閉狀態的切換。”薑道華說,我們還發現,抗心律不齊藥物普羅帕酮可以穿過開放狀態下NaV1.5的激活開口,到達中央通道的高親和力結合位點,特異性地阻斷NaV1.5。

而後的電生理實驗進一步證實,普羅帕酮是一種開放狀態的阻斷劑。

“這項研究通過巧妙的設計將通道定格在‘開放狀態’這一瞬間狀態,並利用結構生物學手段首次揭示了真核鈉離子通道開放狀態的結構特點。這項工作不僅僅加深了我們對包括Nav通道門控機制的理解,同時開放狀態的結構也將極大的助力鈉離子通道相關的藥物的研發工作。”中國科學院生物物理研究所研究員趙岩評價說。#保護心血管健康# http://t.cn/A6MAAOsK

更多學習動態

全站最新消息

d