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清华大学医学院Cecilia Canessa课题组揭示酸敏感离子通道的脱敏机制 时间:2019-05-04 10:41:14.0

2019年5月2日,清华大学医学院Cecilia Canessa课题组在《eLife》杂志在线发表题为“A valve-like mechanism controls desensitization of functional mammalian isoforms of acid-sensing ion channels”的研究论文,揭示了酸敏感离子通道的脱敏机制。


大脑中发生的许多事件都伴随着细胞外环境的酸化,导致暴露于细胞外pH变化中的神经元产生强烈的电生理反应。酸感离子通道ASICs是神经元中表达的质子门控钠离子通道。ASICs在中枢和周围神经系统中都有表达。它与突触可塑性、恐惧相关记忆、药物成瘾以及中风后细胞死亡等病理过程有关。在外围神经元中,ASICs也会引起疼痛。


脱敏作用决定了ASIC电流的时间进程,并通过质子浓度的增加来减弱神经元的去极化。实现脱敏的机理因不同类型的通道而异,无论是电压门控通道还是配体门控通道,它们都是通过关闭孔隙来关闭离子通道大门的。


鸡源ASIC1在三种构象中的结构对质子介导的门控已经有了较高的认识;然而,从开放状态open state和预开放状态pre-open states (稳态脱敏状态steady-state desensitization,SSD) 到脱敏状态desensitized state的分子机制仍然不够清晰。ASIC的脱敏状态是由它的β11- β12 linker来调节脱敏构象变化的,脱敏的一个显著特征是β11- β12 linker中L415和N416残基的侧链发生180度的旋转。然而这样的残基侧链旋转是如何转化为脱敏的过程还没有较为明确的解释。


通过对注射编码通道cRNA的非洲爪蟾卵母细胞的电生理记录,我们发现β9链中的一个保守残基Q276与L415和N416共同介导了ASIC1a、ASIC2a和ASIC3的两种脱敏作用。Q276的功能就像一个阀门,能够调节或限制L415和N416的旋转,以保持linker处于压缩的状态,使通道保持在脱敏的状态。如图所示,一旦让阀门松弛或者延长开口,就会导致持续的电流。


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我们提出了一种通道脱敏的分子机制,来解释Q276在脱敏过程中的重要作用。Q276的侧链就像一个阀门,允许或限制L415和N416的旋转。L415和N416侧链的运动路径都是朝向Q276的,即它们均是向内而不是向外转动的。这种配置支持了三个关键残基瞬时功能上的相互作用,使得脱敏到机制高度依赖于它们各自的侧链大小。一个正常工作的阀门(确保完全脱敏)需要三个保守的残基协同工作,改变其中任何一个都会引入空间位阻,导致阀门泄漏,表现为不完全或不脱敏的状态。如图所示。向内的旋转还为通道提供了一种阀门锁定构象的方法,以防止在脱敏过程中发生回摆。


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这种机制不仅适用于从开放状态的脱敏,也适用于pH 7.2至7.0时预开放的脱敏状态。在这个pH范围内,质子平均只与通道三聚体的一个亚基或至多两个亚基结合。质子化的亚基可能处于开放构象或另一未知构象;然而,非质子化的邻近亚基施加的空间位阻可能会阻止通道大门的打开。因此,质子浓度较低,主要发生的是异步质子化作用导致的SSD,而不能使通道打开。相比之下,在高质子浓度下(pH 6.5 至6.0),三个亚基同时结合质子,亚基构象变化从而通道开放。我们还发现在较低的质子浓度下,只需要通道的三个亚基之一在工作,就足以诱导SSD。


ASIC1a已成为预防缺血引起的中枢神经系统损伤的重要治疗靶点,缺血引起的中枢神经系统损伤在脑损伤和创伤性脑损伤中都很常见。通道脱敏机制的解读,有利于相关疾病药物的开发和进一步的功能和结构研究。


清华大学医学院Cecilia Canessa教授为该论文的通讯作者,清华大学医学院博士生吴杨宇为本文第一作者,清华大学医学院博士生陈朱媛也参与了部分工作。该工作得到了中国外专千人计划的经费支持。




原文链接:https://elifesciences.org/articles/45851





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