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Nature重大突破:颜宁解析止痛剂阻断Cav2.2离子通道的结构基础

已有 2201 次阅读 2021-7-8 01:55 |系统分类:科普集锦

神经元型(n型)电压门控钙通道(Cav)被命名为Cav2.2,在神经递质的释放中起重要作用。Ziconotide是一种cav2.2特异性肽孔阻断剂,已被临床用于治疗顽固性疼痛。在本研究中,我们展示了在ziconotide存在或不存在的情况下,人类Cav2.2的低温电子显微镜结构(包括核心α1和辅助α2δ-1和β3亚基)。Ziconotide完全由P1和P2螺旋配合,它们支持选择性过滤器,以及α1重复II、III和IV中的细胞外环(ecl)。为了适应ziconotide,重复III和α2δ-1的ECL必须一致向上倾斜。3个电压感应域(VSDs)处于去极化状态,而重复II的VSD呈向下构象,由cav2独特的胞内片段和磷脂酰肌醇4,5-二磷酸分子稳定。我们的研究揭示了ziconotide阻断cav2.2特异性孔隙的分子基础,并建立了研究Cav通道机电耦合的框架


2021年7月7日,美国普林斯顿大学颜宁,第一作者为高帅博士(博士毕业于清华大学刘磊教授组)在Nature在线发表题为“Structure of human Cav2.2 channel blocked by the painkiller ziconotide”的研究论文,该研究结合冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 分析和人工智能促进的结构预测,该研究报告了揭示了ziconotide阻断cav2.2特异性孔隙的分子基础


Cav2.2通道也被称为n型Cav通道,因为它们在中枢和外周神经系统的递质释放中起作用。将电压依赖的Ca2+导电核心α1亚基与辅助亚基(包括胞外α2δ和胞质β亚基)的不同剪接形式结合,产生不同的Cav2.2异构体,这些异构体表现出不同的膜分布和生物物理特性。初级传入终末的Cav2.2通道参与疼痛信号传导。因此,抑制Cav2.2的活性代表了镇痛药物开发的策略。


Cav2.2可被多种肽毒素有效地选择性抑制,其中一些肽毒素已被开发用于药理应用。其中ω-conotoxin MVIIA被用于生产ziconotide (也被称为SNX-111和Prialt),已被美国食品和药物管理局批准用于治疗严重疼痛。然而,其鞘内应用和不良反应限制了ziconotide的广泛应用。ziconotide结合的Cav2.2需要高分辨率结构来阐明亚型特异性抑制的分子基础,并促进药物的发现。

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兔Cav1.1和人Cav3.1单独和与各种调节复合物的低温电子显微镜(cryo-EM)结构先前已经发表。Cav1.1和Cav3.1虽然存在大量的序列变异,但在跨膜区域结构相似,包括四个同源重复序列。四个重复的跨膜段5和6 (S5和S6)包围着中心孔结构域,四个VSDs被四个VSDs包围着,每个VSDs都由S1到S4组成。与保守的跨膜结构域相比,重复序列(I-II连接子和II-III连接子)和c端片段之间的长连接子在长度和一级序列上变化很大。这些胞质片段在Cav和与之密切相关的Nav通道结构中仍未得到解决。


孔域的门控与响应膜电位变化的VSDs运动耦合,这种机制被称为机电耦合。尽管有微小的偏差,之前报道的Cav1.1和Cav3.1通道的结构都表现出类似的“失活”状态,即孔域关闭,所有四个vsd都处于“上”构象。研究机电耦合需要具有不同构象的通道的结构分辨率。



结构引导序列比较显示,Cav2.2中8个ziconotide配位残基中有4个(Thr643、Asp1345、Lys1372和Asp1629)在其他Cav通道中没有保守性,这解释了ziconotide对孔封锁的亚型特异性。与我们的结构一致,Y13A或R10A取代已经被证明可以显著减少ziconotide对孔隙的堵塞,而Y13R取消了其活性。


ziconotide结合的唯一结构变化是α2δ-1的轻微倾斜和α1作为刚体的ECLIII。ECLIII的向上移动是必要的,以避免与ziconotide的冲突(图1d,扩展数据图6c, d)。α2δ-1亚基先前已经被证明降低了ziconotide的亲合力29,这可能是由于提升ECLIII和α2δ-1以适应ziconotide的能量损失。

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人Cav2.2复合物的低温电子显微镜结构揭示了Cav2.2被ziconotide特异性孔封锁的分子基础,并为α2δ-1的存在降低ziconotide亲和度提供了机制解释。VSDII的向下构象由之前未解决的胞质片段和一个PIP2分子稳定,这为研究Cav通道中的机电耦合提供了重要的视角


AID螺旋紧紧跟随S6I并与S6II相互作用,被VSDII和β3夹在中间(图4b)。因此,它可以作为一个杠杆,将VSDII与S6I、S6II和胞内片段的构象变化连接起来。β亚基也可能通过与AID的相互作用部分调节通道活性。


先前的研究表明,PIP2既能引起激活电压的右移,又能降低Cav2.136的电流损耗。本研究中观察到的pip2结合位点可能解释了电压依赖性抑制调节,因为它稳定了VSDII的下降构象。是否有一个单独的pip2结合位点负责电压无关性的衰竭降低,这一机制可能涉及Gβγ蛋白37还有待研究。对三个Cav家族中代表性成员的结构解释,为今后对机电耦合和各种调制器对Cav通道的调控的结构和机理研究奠定了基础

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