清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院Cecilia Canessa課題組揭示酸敏感離子通道的脫敏機制 時間：2019-05-04
2019年5月2日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院Cecilia Canessa課題組在《eLife》雜志在線發(fā)表題為“A valve-like mechanism controls desensitization of functional mammalian isoforms of acid-sensing ion channels”的研究論文，揭示了酸敏感離子通道的脫敏機制。
大腦中發(fā)生的許多事件都伴隨著細胞外環(huán)境的酸化，導(dǎo)致暴露于細胞外pH變化中的神經(jīng)元產(chǎn)生強烈的電生理反應(yīng)。酸感離子通道ASICs是神經(jīng)元中表達的質(zhì)子門控鈉離子通道。ASICs在中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中都有表達。它與突觸可塑性、恐懼相關(guān)記憶、藥物成癮以及中風(fēng)后細胞死亡等病理過程有關(guān)。在外圍神經(jīng)元中，ASICs也會引起疼痛。
脫敏作用決定了ASIC電流的時間進程，并通過質(zhì)子濃度的增加來減弱神經(jīng)元的去極化。實現(xiàn)脫敏的機理因不同類型的通道而異，無論是電壓門控通道還是配體門控通道，它們都是通過關(guān)閉孔隙來關(guān)閉離子通道大門的。
雞源ASIC1在三種構(gòu)象中的結(jié)構(gòu)對質(zhì)子介導(dǎo)的門控已經(jīng)有了較高的認識；然而，從開放狀態(tài)open state和預(yù)開放狀態(tài)pre-open states (穩(wěn)態(tài)脫敏狀態(tài)steady-state desensitization，SSD) 到脫敏狀態(tài)desensitized state的分子機制仍然不夠清晰。ASIC的脫敏狀態(tài)是由它的β11- β12 linker來調(diào)節(jié)脫敏構(gòu)象變化的，脫敏的一個顯著特征是β11- β12 linker中L415和N416殘基的側(cè)鏈發(fā)生180度的旋轉(zhuǎn)。然而這樣的殘基側(cè)鏈旋轉(zhuǎn)是如何轉(zhuǎn)化為脫敏的過程還沒有較為明確的解釋。
通過對注射編碼通道cRNA的非洲爪蟾卵母細胞的電生理記錄，我們發(fā)現(xiàn)β9鏈中的一個保守殘基Q276與L415和N416共同介導(dǎo)了ASIC1a、ASIC2a和ASIC3的兩種脫敏作用。Q276的功能就像一個閥門，能夠調(diào)節(jié)或限制L415和N416的旋轉(zhuǎn)，以保持linker處于壓縮的狀態(tài)，使通道保持在脫敏的狀態(tài)。如圖所示，一旦讓閥門松弛或者延長開口，就會導(dǎo)致持續(xù)的電流。
我們提出了一種通道脫敏的分子機制，來解釋Q276在脫敏過程中的重要作用。Q276的側(cè)鏈就像一個閥門，允許或限制L415和N416的旋轉(zhuǎn)。L415和N416側(cè)鏈的運動路徑都是朝向Q276的，即它們均是向內(nèi)而不是向外轉(zhuǎn)動的。這種配置支持了三個關(guān)鍵殘基瞬時功能上的相互作用，使得脫敏到機制高度依賴于它們各自的側(cè)鏈大小。一個正常工作的閥門（確保完全脫敏）需要三個保守的殘基協(xié)同工作，改變其中任何一個都會引入空間位阻，導(dǎo)致閥門泄漏，表現(xiàn)為不完全或不脫敏的狀態(tài)。如圖所示。向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)還為通道提供了一種閥門鎖定構(gòu)象的方法，以防止在脫敏過程中發(fā)生回擺。
這種機制不僅適用于從開放狀態(tài)的脫敏，也適用于pH 7.2至7.0時預(yù)開放的脫敏狀態(tài)。在這個pH范圍內(nèi)，質(zhì)子平均只與通道三聚體的一個亞基或至多兩個亞基結(jié)合。質(zhì)子化的亞基可能處于開放構(gòu)象或另一未知構(gòu)象；然而，非質(zhì)子化的鄰近亞基施加的空間位阻可能會阻止通道大門的打開。因此，質(zhì)子濃度較低，主要發(fā)生的是異步質(zhì)子化作用導(dǎo)致的SSD，而不能使通道打開。相比之下，在高質(zhì)子濃度下(pH 6.5 至6.0)，三個亞基同時結(jié)合質(zhì)子，亞基構(gòu)象變化從而通道開放。我們還發(fā)現(xiàn)在較低的質(zhì)子濃度下，只需要通道的三個亞基之一在工作，就足以誘導(dǎo)SSD。
ASIC1a已成為預(yù)防缺血引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的重要治療靶點，缺血引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷在腦損傷和創(chuàng)傷性腦損傷中都很常見。通道脫敏機制的解讀，有利于相關(guān)疾病藥物的開發(fā)和進一步的功能和結(jié)構(gòu)研究。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院Cecilia Canessa教授為該論文的通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生吳楊宇為本文第一作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生陳朱媛也參與了部分工作。
◎原文鏈接：https://elifesciences.org/articles/45851
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