满堂彩

新(xin)聞動(dong)態

郭江濤課題組解析雙孔通道TPC1的門控機制

來源 :基礎醫學系(xi)    發布時間 :2021-11-30    瀏覽次數 :238


電(dian)壓(ya)(ya)門控(kong)離(li)子通(tong)(tong)道(dao)(dao)(VGICs)在(zai)電(dian)信(xin)號傳導過程中扮(ban)演重要角色。膜電(dian)位(wei)(wei)如何通(tong)(tong)過電(dian)壓(ya)(ya)感受(shou)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)(S1-S4,VSD)調節(jie)通(tong)(tong)道(dao)(dao)門控(kong)(gating),即電(dian)壓(ya)(ya)門控(kong)機理,是電(dian)壓(ya)(ya)門控(kong)離(li)子通(tong)(tong)道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)核心(xin)問題。在(zai)大部分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)門控(kong)離(li)子通(tong)(tong)道(dao)(dao)中,超極(ji)化膜電(dian)位(wei)(wei)將電(dian)壓(ya)(ya)感受(shou)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)穩定在(zai)靜息(xi)狀態(tai)(tai),通(tong)(tong)道(dao)(dao)門保持關閉(bi)。膜電(dian)位(wei)(wei)去(qu)極(ji)化時,電(dian)壓(ya)(ya)感受(shou)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)被激活(huo),引(yin)起(qi)孔道(dao)(dao)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)(pore domain)的(de)(de)(de)(de)(de)跨膜螺旋S5-S6的(de)(de)(de)(de)(de)構(gou)(gou)(gou)象變化,通(tong)(tong)道(dao)(dao)門打開。為了闡述離(li)子通(tong)(tong)道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)門控(kong)機制,需要解析激活(huo)態(tai)(tai)和(he)靜息(xi)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)感受(shou)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)。由于在(zai)體外(wai)條件下難以(yi)模擬體內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)膜電(dian)位(wei)(wei)環境,捕捉(zhuo)同一(yi)個離(li)子通(tong)(tong)道(dao)(dao)電(dian)壓(ya)(ya)感受(shou)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)域(yu)分(fen)(fen)別處(chu)于激活(huo)態(tai)(tai)和(he)靜息(xi)態(tai)(tai)具有相當(dang)大的(de)(de)(de)(de)(de)挑戰。

2021年11月23日(ri),滿堂彩郭江(jiang)濤團隊在PNAS在線(xian)發表了(le)題為“Voltage gating and cytosolic Ca2+ activation mechanisms of Arabidopsis two-pore channel AtTPC1”的研究論文,報道(dao)擬南(nan)芥雙孔(kong)通道AtTPC1在不同狀(zhuang)態下的高(gao)分辨率冷凍電鏡結構。通過對(dui)通道不同狀態的結(jie)構比較,闡釋(shi)了AtTPC1的(de)電壓(ya)門(men)控、細胞內(nei)鈣離子激活(huo)及二者的(de)偶聯機(ji)制。這項研究為闡明(ming)普適性的電壓門控機制提供重要的結構信(xin)息。

雙孔通道(dao)(TPCs)屬于(yu)電(dian)(dian)壓門(men)控離子通道(dao)超家族,在(zai)植(zhi)物和動物中廣泛表達。TPCs形成(cheng)同源二聚(ju)體,每個(ge)亞基包括2個(ge)6次跨(kua)膜(mo)結(jie)(jie)構域(6-TMI和6-TMII),等(deng)價于(yu)經典的(de)(de)電(dian)(dian)壓門(men)控離子通道(dao)所(suo)擁有的(de)(de)4個(ge)電(dian)(dian)壓感受(shou)結(jie)(jie)構域和一個(ge)孔道(dao)結(jie)(jie)構域。AtTPC1定位于(yu)液泡膜(mo)上,其通道(dao)門(men)開放需(xu)要激活態(tai)的(de)(de)電(dian)(dian)壓感受(shou)結(jie)(jie)構域II(VSDII)和細胞質基質側結(jie)(jie)合鈣離子的(de)(de)EF hand結(jie)(jie)構域。

但另(ling)外一方面,液泡腔內的鈣離子(zi)將電壓感受結構(gou)域II(VSDII)穩定(ding)在靜(jing)息態,抑制(zhi)通道開放。這(zhe)種(zhong)鈣離子(zi)的雙向調(diao)節作用(yong)導致很難捕(bu)捉處于開放態的AtTPC1的結構(gou)。前期研究發現,液泡腔側的鈣離子(zi)通過與三個酸性氨基酸Asp240、Asp454和(he)Glu528相互作用(yong)來抑制(zhi)AtTPC1電壓感受結構(gou)域II。

為(wei)了消除液(ye)泡腔側的鈣(gai)離子(zi)(zi)的抑制,獲(huo)得激活態的電壓感受結(jie)構(gou)域(yu)II和結(jie)合(he)鈣(gai)離子(zi)(zi)的EF hand結(jie)構(gou)域(yu),研究人員構(gou)建了這三個位(wei)點的突變體(ti)AtTPC1ΔCai,并(bing)在樣品中添加(jia)了鈣(gai)離子(zi)(zi)。

研究人(ren)員(yuan)解析了(le)鈣(gai)(gai)離(li)子存在(zai)條件(jian)下的(de)野(ye)(ye)生(sheng)型和突變體AtTPC1的(de)冷(leng)凍電鏡結構(gou)。鈣(gai)(gai)離(li)子存在(zai)條件(jian)下的(de)野(ye)(ye)生(sheng)型AtTPC1通(tong)道門(men)處于關閉狀(zhuang)態(tai),電壓感(gan)受結構(gou)域(yu)II處于靜息態(tai),EF hand結構(gou)域(yu)未結合鈣(gai)(gai)離(li)子。鈣(gai)(gai)離(li)子存在(zai)條件(jian)下的(de)突變體AtTPC1通(tong)道門(men)處于半開放狀(zhuang)態(tai),電壓感(gan)受結構(gou)域(yu)II處于激活(huo)態(tai),EF hand結構(gou)域(yu)結合鈣(gai)(gai)離(li)子(圖1)。

1 AtTPC1野生型及突(tu)變體(ti)結構。

A,AtTPC1的拓撲(pu)結(jie)構。B,AtTPC1野生型冷凍電(dian)鏡密度圖。C,AtTPC1野生型單亞基(ji)(ji)側視(shi)圖及EF hand放大圖。D,AtTPC1野生型VSDII處于(yu)靜(jing)息(xi)態(tai)。E,AtTPC1突變(bian)體(ti)(ti)冷凍電(dian)鏡密度圖。F,AtTPC1突變(bian)體(ti)(ti)單亞基(ji)(ji)側視(shi)圖及EF hand放大圖。G,AtTPC1突變(bian)體(ti)(ti)VSDII處于(yu)激活態(tai)。

研究者通(tong)過比較野生型和突(tu)變體AtTPC1結構揭示了三(san)個機理:

1)電壓(ya)門(men)控機(ji)理:膜電(dian)位去極化驅使(shi)VSDII的(de)IIS4螺旋(xuan)發(fa)生(sheng)(sheng)垂直平移,帶動IIS4-IIS5 linker相對于(yu)IIS5的(de)連接處向(xiang)外(wai)旋(xuan)轉(zhuan),進而使(shi)VSDII整體發(fa)生(sheng)(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)。在(zai)生(sheng)(sheng)理條件下,VSDII的(de)激活會導致IIS6螺旋(xuan)對方向(xiang)上的(de)通道打開(圖2)。

2 AtTPC1電壓門控機(ji)制(zhi)。

A,AtTPC1電壓激活過程中發(fa)(fa)生(sheng)IIS4垂直平移以及IIS4-IIS5 linker旋(xuan)轉(zhuan)。B,AtTPC1的VSDII發(fa)(fa)生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)。AtTPC1野生(sheng)型和突變體模型分別(bie)用粉色(se)與(yu)綠色(se)顯示。

2)細(xi)胞內(nei)鈣離子激活(huo)AtTPC1的分子(zi)機理:膜(mo)電位去(qu)極(ji)化驅使VSDII的(de)旋轉,VSDII進而通過L1-2拉動EF hand進行(xing)平移與旋轉,使得SU與SN兩個螺旋(xuan)(xuan)(xuan)從(cong)EF hand上(shang)解離,暴(bao)露(lu)出EF hand 2和S0上(shang)的(de)鈣離子結(jie)合(he)位點(dian)。鈣離子的(de)結(jie)合(he),增強了(le)EF hand內(nei)部及其(qi)與IS1的(de)緊密堆(dui)積,使得E1發生(sheng)移動,帶(dai)動與其(qi)形成一(yi)根螺旋(xuan)(xuan)(xuan)的(de)IS6向(xiang)外旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan),導(dao)致(zhi)IS6螺旋(xuan)(xuan)(xuan)對(dui)方向(xiang)上(shang)的(de)通道(dao)打開(圖3)。

3 細胞內鈣離(li)子激活AtTPC1的分(fen)子機(ji)理。

A,AtTPC1野(ye)生型(粉色(se))與突變體(綠色(se))疊加(jia)側視圖。(B,C,D)圖A放大顯(xian)示。

3)電壓門控(kong)和(he)細胞內鈣離子激活的偶聯機(ji)制:研究者發(fa)現,在(zai)VSDII抑(yi)制(zhi)的情況(kuang)下,高濃(nong)(nong)度(50 mM)鈣離子也無法(fa)激(ji)(ji)活(huo)(huo)(huo)EF hand;但是(shi)(shi)一(yi)旦VSDII被激(ji)(ji)活(huo)(huo)(huo),低(di)濃(nong)(nong)度(1 mM)鈣離子就可(ke)以激(ji)(ji)活(huo)(huo)(huo)EF hand。因(yin)此膜電位(wei)去(qu)極化激(ji)(ji)活(huo)(huo)(huo)VSDII與鈣離子激(ji)(ji)活(huo)(huo)(huo)EF hand是(shi)(shi)偶(ou)聯的,并由L1-2,SU和SN介導(圖4)。

圖(tu)4 電壓門控和細胞內(nei)鈣離子激(ji)活的偶聯(lian)機制。


綜上所述,本研究(jiu)通過突變液泡腔側(ce)的(de)鈣離(li)子(zi)抑(yi)制位點和(he)改(gai)變蛋白(bai)樣品中(zhong)的(de)鈣離(li)子(zi)濃度,捕捉關閉和(he)部(bu)分開放狀(zhuang)態的(de)AtTPC1。通過比較兩種不(bu)同的構(gou)象,解(jie)釋(shi)了AtTPC1的電壓門控、鈣離子激(ji)活以及二者的偶聯機(ji)制。

滿(man)堂(tang)彩醫滿(man)堂(tang)彩官網生(sheng)(sheng)物(wu)物(wu)理學系碩士研究生(sheng)(sheng)葉繁、博士(shi)后(hou)徐令怡、博士研究生李瀟(xiao)瀟(xiao)為該論文共同(tong)第一(yi)作者;滿堂(tang)彩生物(wu)物(wu)理(li)系(xi)郭(guo)江濤研究員、美國德克薩斯大學(xue)西南醫學(xue)中心(xin)姜有星教授為該論文的共同通訊作者。本(ben)研(yan)究得到了滿堂彩醫(yi)滿堂彩官網楊巍教授(shou)的支持(chi)。本研究受(shou)科(ke)技(ji)部、國家自然科(ke)學基金(jin)、浙江省自然科(ke)學基金(jin)、中央(yang)高校基本科(ke)研專(zhuan)項資(zi)金(jin)的資(zi)助。