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剑桥大学新研究揭示钠离子通道意想不到的结构

诸平

钠离子（Na⁺）通道与许多严重的疾病如心脏病、癫痫和疼痛有关系，在研制针对这些疾病的药物时，科学家通常将Na⁺通道作为一个重要的潜在目标。但是，对于Na⁺通道的具体结构，很多科学家并不熟悉。剑桥大学（University of Cambridge）近期发布了一项新研究，提供了鲜为人知和意想不到的洞察结果——Na⁺通道的结构和机制。研究结果发表在《生物化学杂志》（Journal of Biological Chemistry）上。

钠离子（Na⁺）通道及其主要功能

钠离子（Na⁺）通道是位于细胞质膜上的一种跨膜糖蛋白，通常由α、β1、β2三个亚单位组成，因其在电刺激的条件下能够被激活开放，故又称其为电压门控钠离子通道，其分布范围非常广泛。钠离子（Na⁺）通道的开放主要是引起细胞膜外的Na⁺内流，改变细胞膜两侧电位的极性，从而造成去极化过程。

Na⁺通道中央有能通过Na⁺的亲水通道，通道的外端有选择性滤孔，是选择通过离子的部位。孔道中有闸门m门，蛋白质的构象变化使m门开放与关闭。Na⁺通道有电压感受器，其上有电荷。这些电荷在电场的作用下移动，造成闸门的开放，因而也记录到门控电流。去极化引起Na⁺通道开放后约在2ms内就会失活。从膜内侧施加蛋白水解酶可以阻止通道失活，也就是孔道内端有蛋白质的失活h门。h门一般在m门开放后几毫秒内关闭。

Na⁺通道的主要功能是维持细胞兴奋性及其传导。与其他类型的离子通道相比较，Na⁺通道研究的比较早，是科学家目前对其特征、分类、结构、门控动力学、生理意义、药理作用等了解比较清楚的一类离子通道。但是，至今Na⁺通道的机理与其疾病类型之间仍然尚未完全吻合，而随着对其研究的不断深入，Na⁺通道的发病机理与疾病类型的关系将会更加明朗，这将为临床开展预防、诊断以及治疗提供明确的医学基础。

Na⁺通道与疼痛的产生有密切的关系

中国科学院上海生命科学院鲍岚研究组的博士研究生张振宁和李乾等，2008年曾经在《细胞科学杂志》（Journal of Cell Science, 2008, 121, 3243-3252. doi: 10.1242/jcs.026856）发表了他们的研究成果，发现Na⁺通道是可兴奋细胞产生动作电位的基础，脊椎动物的钠离子（Na_v）通道中的Na_v1.8，是特异性高表达在背根神经节初级感觉小神经元中的一种电压门控钠离子通道，它与疼痛的产生有密切的关系。

Na_v1.8主要驻留在内质网中，其第一个胞内环上的RRR结构域是一个内质网滞留信号，对Na_v1.8驻留在内质网中有贡献，限制了其有效地向细胞膜表面的运输及功能的行使。当Na_v1.8的RRR内质网滞留信号失去功能后，其细胞膜表面表达量较野生型Na_v1.8显著升高。Na_v的β3亚单位通过与Na_v1.8的第一个胞内环结合，掩盖了Na_v1.8的内质网滞留信号，促进Na_v1.8向细胞膜表面的运输。

此项工作首次在Na_v1.8中发现了内质网滞留信号，并对Na_v1.8中内质网滞留信号的功能与调控提供了有力的证据，同时也揭示了Na_vβ亚单位对α亚单位调控的分子机制，为深入了解疼痛的产生和发展提供了新的研究方向和理论基础。

新研究揭示Na⁺通道的结构和新机制

神经和其他电刺激细胞与另外的神经和其它细胞之间通过传输电信号而互相沟通, Na⁺通道在这一过程中扮演着至关重要的角色。脊椎动物的钠离子（Na_v）通道是由一个离子传导α亚单位和相关的β-亚单位构成。剑桥大学这项新研究的侧重点是β-亚单位中一种称为β3的亚单位。β3位于神经元和心肌细胞中，在Na⁺通道调节方面具有特别重要的作用。

在研究中，研究人员使用蛋白质x射线晶体学技术来确定β3-亚单位一部分的原子水平结构——“免疫球蛋白域（immunoglobulin domain）”，并给出其晶体结构。β3-亚单位的该区域位于细胞外，和心脏钠通道α-亚单位结合在一起。研究人员惊讶地发现，3个“β3-免疫球蛋白域”聚在一起形成了一个三聚体。

分析超速离心法证实在游离溶液中，免疫球蛋白域的存在形式有单体、二聚体和三聚体,而原子力显微镜成像结果，也发现了全长的β3亚单位单体、二聚体和三聚体。半胱氨酸残基的突变是维系二聚体和三聚体在三聚体界面不稳定的关键。

随后，研究人员使用原子力显微技术（Dilshan Balasuriya）对单个三聚体进行成像，进一步证明β3亚单位可以与Na_v1.5α亚基上的多个位点结合,诱导α亚单位的寡聚物形成,其中包括三聚体。

这项研究结果显示了Na_v通道中的β3亚单位三聚体与3种钠通道α-亚单位之间的新的和意想不到的交联作用，为一些病理Na_v通道突变提供了新的结构上的深刻理解。

这项研究是在剑桥大学生物系Tony Jackson博士和Dima Chirgadze博士领导之下，主要由Sivakumar Namadurai进行的。Tony Jackson博士说：“我们的结果出人意料,我们一直致力于β3-亚单位研究已经大约有14年了。在此期间,我们不得不间接地在分子水平上进行推断。为了真正看到亚单位的原子结构以及它是如何形成三聚体的，十余年终修正果，犹如突然打开一盏灯泡，罕见的令人惊讶的一幕物瞬间一清二楚地展现在眼前。”

Dima Chirgadze博士补充说:“我们的研究对理解钠离子通道机制行为有着重要的意义。迄今为止，一直存在一种假设,即单个钠离子通道的功能是相互独立的。但这种观点可能对于钠离子通道的理解与认识过于简单。一个非常令人兴奋的可能性就是钠离子通道的α-亚单位通过β3-亚单位三聚体交联，可导致一些钠离子通道在功能上是连接在一起的。如果这种观点正确的话,这将允许动作电位一个更有效的启动。”

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