Nature communications:人类钙通道CaV3.3研究进展

来源：生物物理研究所2022-04-28 10:00

在这项研究中，单粒子冷冻电子显微镜用于分析人电压门控T型钙通道CaV3.3的未结合底物状态(Apo)

钙(Ca2)是细胞内重要的第二信使，参与神经信号传递、肌肉收缩、调节细胞增殖、凋亡和分化等重要生理过程。电压门控钙通道(CaV)可以响应细胞膜电位的变化而被激活，介导Ca2进入细胞，进而激活一系列下游信号通路。人类基因组中有10个基因编码电压门控钙通道。根据膜电位的去极化，激活阈值分为高电压激活(HVA)和低电压激活(LVA)。高电压激活的钙通道需要强去极化刺激才能激活。低电压激活的钙通道又称T型钙通道，可被弱去极化刺激激活，具有低电压激活和快速失活的特点。这种门控特性使该通道在细胞膜轻微去极化时开放，在细胞接近静息电位时是细胞内Ca2的重要来源。t型钙通道分布于各种组织中，参与心脏起搏、肌肉兴奋-收缩偶联和细胞生长调节等过程。其功能障碍与癫痫、癫痫、精神病有关。t型钙通道是一个重要的药物研究靶点。这对于解释T型钙通道的结构和功能特点以及药物分子和离子通道的作用机制具有重要意义。

4月19日，中国科学院生物物理研究所赵岩研究组和北京大学药学院黄卓研究组合作，在《自然-通讯》 (Nature communications)发表了题为《人CAV 3.3通道的结构、门控和药学》的研究论文。在这项研究中，通过单粒子冷冻电镜分析了人电压门控T型钙通道CaV3.3在未结合底物状态(Apo)(图1a)和与抗高血压药物米贝拉地尔、抗痉挛和抗胆碱能药物奥替溴铵和抗精神病药匹莫齐特三种小分子结合状态下的高分辨率结构，并结合电生理实验阐明了首次鉴定出在低电压下调节T型钙通道激活的结构元件。

发现T型钙通道CaV3.3含有一个长螺旋(S6III)，包括跨膜部分(S6TM)和胞质部分(S6Cyto)。其中，S6TM参与在细胞质侧形成通道的门。位于细胞质中的S6Cyto富含带正电荷的氨基酸残基(19个氨基酸残基中有12个是精氨酸或赖氨酸)。这一序列在所有低电压激活的T型CaV通道中是保守的，而在高电压激活的CaV通道(如CaV2.2)中则不是。为了验证S6Cyto的功能，S6Cyto螺旋中的12个带正电荷的氨基酸被突变成电中性谷氨酰胺(CaV3.312Q)。电生理实验结果表明，CaV3.312Q激活过程的电压依赖性向膜电位去极化方向移动(图1b)，提示S6Cyto中的正电荷可能感受到膜电位的变化，使通道在静息膜电位附近开放。为了进一步验证这一假设，在S6TM和S6Cyto的连接处引入了甘氨酸突变(CaV3.33G)，完整的S6III螺旋结构被断裂成两个螺旋。电生理实验结果表明，CaV3.33G在去极化膜电位较多的情况下倾向于被激活，这进一步说明带正电的S6Cyto区可以响应膜电位的变化，并通过螺旋刚性结构直接传递到S6TM区，从而影响门控通道的开放。

该研究还分析了CaV3.3与三种小药物分子结合的高分辨率结构(图C)。虽然这些药物小分子结合在中心腔中，但不同小分子与其结合位点周围的残基之间的关键相互作用是不同的。同时在结构中发现了几个磷脂分子的密度。磷脂分子不同程度地渗透到中央腔内，参与小药物分子与CaV3.3的结合，对这些药物分子的稳定也有重要作用。这些结构清楚地展示了这些药物分子是如何有效阻断T型CaV通道的，为以后的药物设计和开发奠定了结构基础。

本研究得到了国家重点科技攻关项目的资助。d计划，中国科学院战略先导科技项目(B类)，国家和中国科学院青年创新促进会。生理研究所的生物成像平台为这项研究提供了设备和技术支持。

低电压激活T型钙通道CaV3.3的关键元件及识别三种小分子药物的结构信息

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