顏寧研究組再次發(fā)表《科學(xué)》背靠背文章，報(bào)道動(dòng)物毒素特異性抑制人源電壓門控鈉離子通道1.2和1.7亞型的分子基礎(chǔ)
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年2月14日，顏寧研究組在《科學(xué)》（Science）背靠背在線發(fā)表了題目分別為《μ-芋螺毒素阻斷人源電壓門控鈉離子通道Nav1.2的分子機(jī)理》(Molecular basis for pore blockade of human Na+ channel Nav1.2 by the μ-conotoxin KIIIA)和《人源電壓門控鈉離子通道Nav1.7與輔助亞基和動(dòng)物毒素復(fù)合物的結(jié)構(gòu)》(Structures of human Nav1.7 channel in complex with auxiliary subunits and animal toxins)的兩篇研究長(zhǎng)文，分別解析了人源電壓門控鈉離子通道（以下簡(jiǎn)稱鈉通道）Nav1.2與其特異性阻斷毒素μ-芋螺毒素KIIIA復(fù)合物和人源鈉通道Nav1.7與其特異性調(diào)節(jié)毒素ProTx-II或Huwentoxin-IV復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率分別為3.0和3.2 埃（1埃=0.1納米），為深入理解鈉通道工作機(jī)理、疾病突變致病機(jī)理和特異性毒素與其相互作用機(jī)理提供了分子基礎(chǔ)，同時(shí)為針對(duì)鈉通道的多肽類藥物研發(fā)提供了可靠模板。
鈉通道負(fù)責(zé)動(dòng)作電位的發(fā)生和傳播，是所有可興奮細(xì)胞（包括神經(jīng)和肌肉細(xì)胞等）產(chǎn)生電信號(hào)的基本元件。在人體中，鈉通道存在著九種亞型，命名為Nav1.1- Nav1.9。這些亞型的分布具有組織特異性，它們的異常失活和激活會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)、心血管和肌肉等系統(tǒng)的多種疾病。其中，Nav1.2主要分布在大腦，其突變可導(dǎo)致癲癇、自閉癥等疾病；而Nav1.7則主要分布在脊神經(jīng)背根神經(jīng)節(jié)、三叉神經(jīng)節(jié)和交感神經(jīng)節(jié)等處的疼痛感知神經(jīng)元，與人體對(duì)疼痛的感知密切相關(guān)，其突變可以造成痛覺喪失或者極端疼痛等痛感異常相關(guān)的疾病。
早在2000年，世界衛(wèi)生組織就提出“慢性疼痛是一類疾病”。疼痛嚴(yán)重影響人類的健康、工作和生活。疼痛可分為急性和慢性兩種。其中，急性疼痛主要包括創(chuàng)傷和術(shù)后疼痛，而慢性疼痛則伴隨多種類型的疾病，例如骨質(zhì)疏松癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、中風(fēng)后疼痛、偏頭痛、糖尿病性神經(jīng)痛、臟器疼痛、腰背疼痛和癌痛等。據(jù)Decision Resources的報(bào)告指出，2013年全球主要醫(yī)藥市場(chǎng)的疼痛治療費(fèi)用達(dá)到365億美元。值得一提的是，目前全世界面臨著較為嚴(yán)重的阿片類止痛藥成癮危機(jī)。阿片類藥物是治療癌癥疼痛等的主要止痛藥，近年來被越來越多地濫用緩解慢性疼痛。但是使用阿片類藥物止痛存在著較強(qiáng)的成癮性和較為嚴(yán)重的呼吸抑制等副作用。以美國(guó)為例，僅在2017年，濫用阿片類止痛藥致死人數(shù)已達(dá)到了6.4萬。因此，國(guó)際制藥界迫切希望能夠開發(fā)出替代性的止痛藥。
大量的遺傳學(xué)工作表明Nav1.7與疼痛感知直接相關(guān)。Nav1.7的突變可以導(dǎo)致嚴(yán)重的家族遺傳性疼痛異常或者痛覺喪失等疾病。因此以Nav1.7為靶標(biāo)進(jìn)行相關(guān)止痛藥的開發(fā)是許多國(guó)際著名制藥公司的重點(diǎn)研究方向。Nav1.7高分辨率結(jié)構(gòu)的解析將極大地促進(jìn)以其作為疼痛治療靶點(diǎn)的藥物研發(fā)。
因?yàn)殁c通道在動(dòng)作電位發(fā)生和傳遞中至關(guān)重要的作用，它們構(gòu)成了包括蛇毒、蝎毒、河鲀毒素、蜘蛛毒素等在內(nèi)的多種天然動(dòng)物毒素的最主要作用靶點(diǎn)，而這些毒素也被作為可能的藥物前體而被廣泛研究。
由于分子量大，表達(dá)量極低以及結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，人源鈉通道一直以來都是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的靶標(biāo)之一。
在此次背靠背發(fā)表的兩篇《科學(xué)》長(zhǎng)文中，顏寧研究組利用冷凍電鏡的方法，分別解析了人源鈉通道Nav1.2和Nav1.7的高分辨率結(jié)構(gòu)。
在Nav1.2的文章中，研究人員仔細(xì)分析了Nav1.2特異性毒素KIIIA與鈉通道胞外區(qū)和離子選擇篩的相互作用，并對(duì)已知結(jié)構(gòu)的毒素與鈉通道的相互作用類型進(jìn)行了比較和歸納，從而揭示了其針對(duì)不同鈉通道亞型具有特異性抑制的分子機(jī)理。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)開發(fā)針對(duì)特定鈉通道亞型的藥物提供了分子基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。
Nav1.7的文章有幾個(gè)亮點(diǎn)：1. 作為重要的止痛藥靶點(diǎn)，Nav1.7是最受關(guān)注的鈉通道亞型，然而其重組蛋白表達(dá)困難限制了抗體制備和結(jié)構(gòu)解析。在該研究中，研究人員通過篩選致病突變，僅僅通過引入一個(gè)氨基酸的點(diǎn)突變，就大大提高了蛋白的表達(dá)量，獲得了適合結(jié)構(gòu)解析的樣品，這本身就對(duì)于未來的藥物開發(fā)具有重要意義；2. 研究人員解析了Nav1.7在兩個(gè)輔助亞基β1和β2并存的情況下，與兩種改變通道門控特性的蜘蛛毒素分別結(jié)合的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了這些毒素的結(jié)合位點(diǎn)，從而對(duì)鈉通道受到毒素特異調(diào)節(jié)的機(jī)制進(jìn)行了闡釋和完善。
顏寧自2007年獨(dú)立領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室以來，一直致力于鈉通道的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，并取得了一系列重要成果：她們?cè)?012年報(bào)道了一種海洋菌中的原核鈉通道NavRh的晶體結(jié)構(gòu) (1)；之后便集中力量攻堅(jiān)真核鈉通道的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，于2017年終于在世界上率先報(bào)道了第一個(gè)真核鈉通道的原子模型，即來自美洲蟑螂的鈉通道NavPaS的3.8埃分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，揭開了鈉通道的神秘面紗 (2)；幾個(gè)月后又報(bào)道了在鈉通道研究史上占據(jù)重要地位的來自電鰻的鈉通道EeNav1.4的電鏡結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)提出了鈉通道快速失活的“變構(gòu)阻礙”模型 (3)。在2018年，顏寧研究組在《科學(xué)》發(fā)表兩篇背靠背長(zhǎng)文，分別報(bào)道了NavPaS與經(jīng)典神經(jīng)毒素TTX/STX和一種門控調(diào)節(jié)毒素Dc1a的復(fù)合物結(jié)構(gòu)(4)，以及第一個(gè)人源的鈉通道、骨骼肌特異的Nav1.4的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(5)。本次報(bào)道的兩項(xiàng)工作進(jìn)一步鞏固了顏寧研究組在鈉離子通道結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，對(duì)于理解鈉通道的工作機(jī)理、以及開展基于結(jié)構(gòu)的藥物開發(fā)具有重要意義。
圖1.鈉通道和毒素相互作用的不同模式
（A）Nav1.2與特異性毒素KIIIA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)；（B）NavPaS與Dc1a的復(fù)合物結(jié)構(gòu)；（C）Nav1.7與特異性毒素Huwentoxin-IV的復(fù)合物結(jié)構(gòu)；（D）Nav1.7與特異性毒素ProTx-II的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。
原清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心顏寧教授是兩篇研究論文的通訊作者。
Nav1.2文章：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者潘孝敬，生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生李張強(qiáng)、黃高興宇，以及生命科學(xué)學(xué)院二年級(jí)博士生黃曉爽為共同第一作者。清華大學(xué)劉磊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了毒素的合成工作。
Nav1.7文章：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者申懷宗和生命科學(xué)學(xué)院二年級(jí)博士生劉棟梁為共同第一作者，畢業(yè)于清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院、現(xiàn)就職于首都師范大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院心腦肺復(fù)蘇北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳坤博士進(jìn)行了Nav1.7相關(guān)的電生理分析。
國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)分別為該研究的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理提供了支持，清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士對(duì)數(shù)據(jù)收集進(jìn)行了指導(dǎo)，并獲得工作人員李曉敏博士的技術(shù)輔助。北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心（清華）、生命科學(xué)聯(lián)合中心（清華大學(xué)）、生物膜與膜生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部和基金委為該研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。顏寧教授自2017年秋季入職普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系后受到Shirley M. Tilghman講席教授專項(xiàng)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。
原文鏈接：
Nav1.2: http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/13/science.aaw2999?rss=1
Nav1.7: http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/13/science.aaw2493?rss=1
相關(guān)論文鏈接：
1. X. Zhang et al., Crystal structure of an orthologue of the NaChBac voltage-gated sodium channel. Nature 486, 130-134 (2012).
2. H. Shen et al., Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution. Science 355, (2017).
3. Z. Yan et al., Structure of the Nav1.4-beta1 Complex from Electric Eel. Cell 170, 470-482 e411 (2017).
4. H. Shen et al., Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins. Science, (2018).
5. X. Pan et al., Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with beta1. Science, (2018).
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