中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)田長麟教授研究組與德國萊布尼茨分子藥物所Adam Lange及孫涵課題組合作,應(yīng)用固體核磁共振、單通道電生理及分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法揭示了NaK離子通道的離子選擇性新機(jī)制。該研究成果以 A single NaK channel conformation is not enough for non-selective ion conduction為題,于2月19日發(fā)表在Nature communications上。
離子通道是細(xì)胞膜上的一類特殊親水性蛋白質(zhì)微孔道,在細(xì)胞膜上形成動(dòng)作電位和梯度電位,決定細(xì)胞的興奮性和傳導(dǎo)性。絕大多數(shù)離子通道對不同的離子(K+, Na+, Ca2+, Cl-等)有選擇性的通透,但仍有一部分離子通道可以非選擇性的通過幾種離子。研究人員在KcsA鉀離子通道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出了“鉀離子通道通過選擇過濾器(Selective filter)中主鏈C=O形成水合離子配位方式實(shí)現(xiàn)離子選擇性”的靜態(tài)機(jī)制模型,獲得了廣泛認(rèn)同。但是,近年來高分辨率X-射線晶體結(jié)構(gòu)顯示NaK離子通道在結(jié)合不同離子時(shí)(如 Na+, K+, Rb+)其靜態(tài)通道結(jié)構(gòu)完全一致,這無法解釋其如何識(shí)別和通透這些離子。
田長麟課題組以非選擇性通道NaK為研究對象,將其重組裝到磷脂雙分子膜內(nèi)(還原離子通道所存在的細(xì)胞膜環(huán)境),并與Adam Lange組合作,通過魔角旋轉(zhuǎn)固體核磁方法獲得高分辨固體NMR譜圖,并獲得了不同金屬陽離子條件下譜峰歸屬。NMR譜圖數(shù)據(jù)表明,NaK在生理環(huán)境下通道存在兩種構(gòu)象,鉀離子選擇結(jié)合其中一種,而鈉離子選擇另一種。雙方進(jìn)一步通過固體核磁對原子間距離測量勾畫出了兩種構(gòu)象的結(jié)構(gòu)差別,并用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法驗(yàn)證了兩種構(gòu)象分別對K+和Na+有高度的選擇性。這一研究成果顯示蛋白質(zhì)構(gòu)象多樣性和構(gòu)象間的轉(zhuǎn)換對蛋白質(zhì)功能的重要性,提出了離子通道選擇性的新機(jī)制。
田長麟教授課題組已畢業(yè)博士研究生史朝為、何垚,以及Adam Lange組的博士生Kitty Hendriks為該論文的共同第一作者。該研究得到了基金委、科技部、中科院及合肥大科學(xué)中心的基金資助。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-03179-y
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