解析首個環核苷酸門控離子通道的高分辨率三維結構

　　1月18日，中國科學院昆明動物研究所離子通道藥物研發中心、美國哥倫比亞大學和清華大學開展合作，解析首個環核苷酸門控離子通道的高分辨率三維結構，研究成果以Structure of a eukaryotic cyclic nucleotide-gated channel 為題在線發表在《自然》（Nature）雜志上。昆明動物所研究員楊建和清華大學教授李雪明為文章通訊作者，美國哥倫比亞大學生物科學系副研究員及昆明動物所訪問學者李明暉、清華大學博士研究生周曉元和昆明動物所副研究員王樹為文章共同第一作者。

　　 研究人員通過使用單顆粒冷凍電子顯微鏡 (cryo-EM)技術，首次獲得了環核苷酸門控離子通道（CNG channel）在通道開放狀態下的高分辨率（3.5 ?）的全長結構。這個結構的解析為了解環核苷酸門控離子通道的門控機制、離子通透和疾病機理提供了全新的關鍵實驗證據。

　　我們能夠看到色彩繽紛的世界，聞到千奇百怪的氣味，都需要一個將外界的光學信號和氣味化學信號轉變為生物電信號的過程。這一過程中，CNG通道起著關鍵的信號轉換的作用。在感光器中，光子激活感光色素，降低細胞內環鳥苷單磷酸（cGMP）的濃度，關閉CNG通道，最終導致細胞膜超極化。在嗅覺感受神經元中，氣味分子激活嗅覺受體，增加胞內環腺苷單磷酸（cAMP）濃度，打開CNG通道，導致細胞膜去極化。CNG通道一旦功能失常就會導致視覺和嗅覺系統疾病，比如部分或完全失明和色盲。雖然過去對CNG通道的大量研究使科研人員對其有了深入的了解，但CNG通道的功能/調控的精確蛋白結構基礎一直不為人知。因此，獲得CNG通道高分辨率蛋白結構對于研究CNG通道的離子通透、門控機制和致病突變導致的通道功能失常及其引起的相關疾病具有非常重要的意義。

　　研究人員通過使用單顆粒冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)，首次獲得了秀麗隱桿線蟲CNG通道結合cGMP的開放狀態的3.5 ?分辨率的三維結構。這一結構揭示CNG通道有一個不尋常的類電壓感受結構域（VSLD）。通道蛋白C端連接體（C-linker）連接S6跨膜區和環核苷酸結合結構域（CNBD），并且和VSLD及孔道結構域（pore domain）直接作用，形成所謂的“門控環”。此“門控環”是介導環核苷酸結合所引起的CNG通道開放的關鍵結構。CNG通道的離子選擇性過濾器是由谷氨酸的羧基側鏈和三個羰基氧構成的環排列而成。該研究工作首次獲得真核生物CNG通道高分辨率全長結構，揭示了有別于其它通道的新的結構特征，比如獨特的三級和四級結構和特殊的類電壓感受結構域。這些標志性特征揭示了胞質中的功能結構域是如何與跨膜結構域相互作用的，為CNG通道缺失電壓依賴性提供了依據，為了解環核苷酸門控機制提供了結構基礎，為致病突變導致通道功能失常的原因提供了線索。該研究不僅是CNG通道研究領域的重大突破，也是更廣泛離子通道領域的重要進展。

　　該研究得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金面上項目、云南省科技廳海外高端人才、云南省高層次人才項目、青年千人計劃以及美國國立衛生研究院等多項基金項目的支持。

圖a：CNG通道四聚體結構，視角平行于細胞膜。圖b：CNG通道單體結構。圖c：非經典的S4跨膜區。圖d：離子選擇性過濾器結構的局部放大。圖c和圖d中，只顯示了四個亞基中相對的兩個。