颜宁再发Cell

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来源 | iNature

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Cav1.2通道在各种神经元和生理过程中发挥重要作用。

2023年11月15日，颜宁教授联合武汉大学药学院高帅教授、北京大学宋晨研究员在Cell 在线发表题为“Structural basis for human Cav1.2 inhibition by multiple drugs and the neurotoxin calciseptine”的研究论文，该研究展示了人类Cav1.2的冷冻电镜结构，既包括载脂蛋白形式，也包括与几种药物以及肽神经毒素Calciseptin的复合物。

大多数结构，载子或结合钙西普汀，氨氯地平，或胺碘酮和索非布韦的组合，表现出一致的失活构象，具有密封门，三个上电压感应域(VSDs)和一个下电压感应域(VSDII)。Calciseptin位于孔域的肩部，远离渗透路径。相反，当将抗痉挛药物溴化匹维铵(pinaverium bromide)插入类似于Nav通道中IFM结合位点的空腔时，会发生一系列结构变化，包括在重复III中VSDII向上移动，同时选择性滤过器及其周围片段扩张。同时，S4-5III与S5III合并成为单螺旋，形成一个加宽但仍不导电的胞内门。

另外，2022年11月22日，普林斯顿大学颜宁与高帅在Cell 杂志在线发表题为“Structural basis for the severe adverse interaction of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cav channels”的研究论文,该研究对胺碘酮或sofosbuvir单独处理或sofosbuvir/MNI-1与胺碘酮联合处理的Cav1.1和Cav1.3进行了系统的冷冻电镜结构分析。发现胺碘酮单独占据二氢吡啶的结合位点，而sofosbuvir单独使用时不在通道中。在胺碘酮存在的情况下，sofosbuvir/MNI-1通过与胺碘酮的特异性相互作用锚定在孔域的中央空腔中，直接阻断离子渗透路径。总之，这项研究揭示了两种药物在Cav通道支架上的物理、药效学相互作用的分子基础（）。

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电压门控钙通道Cav1.2是脑、心脏和平滑肌中l型钙通道(LTCCs)的主要亚型，由于其广泛的组织分布和可变剪接变体的存在，在所有LTCCs (Cav1.1-Cav1.4)中发挥着最广泛的作用。Cav1.2通道对许多生理和神经元活动至关重要，如心脏和平滑肌收缩，以及学习和记忆。Cav1.2的功能获得突变与Timothy综合征有关，Timothy综合征是一种罕见的常染色体显性遗传病，以心肌病、心律失常、蹼状指和自闭症谱系障碍为特征。
Cav1.2通道复合体包括一个核心α1亚基(由CACNA1C编码并负责电压依赖性Ca2+渗透)、一个细胞外α2δ亚基和一个细胞内β亚基。兔Cav1.1和人Cav1.3的冷冻电镜(CryoEM)研究揭示了LTCCs的共同结构。所有α1亚基共享一个典型的重复电压门控离子通道(VGIC)折叠，每个重复包含6个跨膜片段S1-S6。在每个重复序列中，S1-S4构成侧翼电压感应域(VSD)，而所有四个重复序列中的S5和S6构成中央孔域(PD)。简而言之，位于PD细胞外侧的选择性过滤器(SF)控制离子选择性，而S6四螺旋束聚集在膜的细胞内边缘控制门控。膜去极化触发与门打开耦合的VSD向上运动，这是一个被称为激活的瞬时过程，随后是通道失活。LTCCs可能经历电压依赖性失活(VDI)和/或钙依赖性失活(CDI)。通道功能和调控的机械解剖需要不同状态的高分辨率快照。
Cryo-EM结构显示Cav1.1、Cav1.3、Cav3.1和Cav3.3的胞内门关闭，VSD呈四向上，与失活状态一致。相反，Cav2.2和Cav2.3的冷冻电镜结构显示了一个封闭状态失活(CSI)构象，其特征是VSDII状态下降，PD进一步收缩，以及一个紧密密封的细胞内门，该门由Cav2特异性的细胞质螺旋在第二个重复序列中稳定，称为CH2II。为了进一步探索机制，药物和毒素可以作为捕获处于不同状态的通道进行结构分析的重要工具。
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人Cav1.2的VSDII在cryo-EM结构中呈“下降”（图源自Cell ）
Cav1.2通道与其他LTCCs一起，是多种天然毒素和FDA批准的药物的靶点，其中最具特征的药物是二氢吡啶(DHP)化合物。LTCCs也被称为DHPR，即DHP受体。大量DHP化合物，包括广泛使用的降压药，如硝苯地平和氨氯地平(AML)，可以变构性地调节LTCCs。一些抗心律失常药物，如胺碘酮(AMIO)，作用于心脏腔室通道。然而，AMIO和sofosbuvir(一种治疗丙型肝炎的重磅药物)对Cav1.2和Cav1.3的协同抑制可能导致危及生命的心跳减慢。几种典型DHP药物和其他LTCC阻滞剂的作用机制(MOA)已被揭示到原子分辨率。DHP化合物和AMIO在重复序列III和IV的界面上占据相同的位置，称为III-IV开孔。在AMIO存在而非DHPs存在的情况下，SOF被锚定在PD的中心腔中以阻止离子流动DHP拮抗剂倾向于失活的通道构象这些药物结合的Cav1.1和Cav1.3结构与载脂蛋白通道非常相似，从而支持上述所有结构的失活状态分配。
为了阐明其他药物和毒素的MOA并捕获Cav通道的更多功能状态，作者开始解决人类Cav1.2与溴化哌维铵(PIN)(一种用于缓解肠易激综合征症状的抗痉挛剂)或Calciseptine(CaS)(一种来自黑曼巴毒液的残留毒素，是第一个用于LTCC的肽阻断剂)复合物的结构。在这里，作者对Cav1.2在各种调制器存在下的结构-功能关系进行了系统的研究。在Cav1.2Apo/Cav1.2CaS/Cav1.2PAC和Cav1.2PIN之间观察到的结构变化提供了一个令人信服的例子，说明通过孔形成段的协调运动，细胞内门和细胞外SF的耦合。该文提出的Cav通道的系统结构表征，以及之前的研究，为未来的生物物理和计算表征奠定了基础。

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文章模式图（图源自Cell ）

武汉大学药学院高帅教授、深圳医学科学院颜宁教授、北京大学宋晨研究员为该文章共同通讯作者。武汉大学药学院高帅教授、姚霞教授、清华大学陈姣凤博士为该文章共同第一作者。武汉大学药学院为文章第一完成单位。清华大学化学系刘磊教授、圣约翰大学于勇教授为该工作提供了关键技术支持。

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