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电压门控离子通道（voltage-gated calcium，Cav）是一类控制钙离子跨膜进出细胞的跨膜蛋白，参与基因表达、分泌、细胞死亡等多种重要的生理过程。一旦Cav功能异常或紊乱，可能导致神经、心血管等多种系统的疾病。因此，Cav已经成为一类重要的药物靶点。对这类通道结构与功能的解析，将为多种药物的研发奠定重要基础。科学家们已经在哺乳动物细胞中鉴定出了3个Cav亚家族，分别是Cav1、Cav2和Cav3。这些亚家族又各自包含了3~4个成员（例如Cav1包括Cav1.1-Cav1.4这4种通道），因此我们共含有10种不同的Cav蛋白。由于这些Cav各自参与了不同的生理过程，因此精确解析不同通道以及各自与不同药物分子结合的结构有着重要意义。多年来，颜宁教授团队已经在Cav通道的解析领域取得了一系列重要突破。其先后对Cav1.1、Cav3.1、Cav2.2等通道进行了高分辨率冷冻电镜结构分析，并且揭示了多种药物与相应Cav通道的结合机制。例如，2021年的一篇《自然》论文解析了止痛药齐考诺肽（ziconotide）与Cav2.2结合的结构，为创新止痛药的研发奠定结构基础（相关阅读：颜宁团队《自然》发文，揭示强效止痛药的作用机理）；去年的一项《细胞》研究解析了治疗丙肝的抗病毒药物索非布韦（sofosbuvir）和抗心律失常药物胺碘酮（amiodarone）与Cav1结合的方式，从而解释了上述两种药物联合使用可能导致致命副作用的原因。（相关阅读：颜宁团队最新《细胞》论文上线！破解药物联合使用的致命副作用机制）今天凌晨，颜宁教授与合作者的最新进展再次登上《细胞》杂志。最新研究揭示了多种药物和神经毒素与Cav1.2结合的不同结构，为理解Cav的中心结构带来了全新洞见，并且为靶向Cav1.2的药物研发奠定了重要基础。颜宁教授与北京大学宋晨教授、武汉大学高帅教授为论文共同通讯作者。此前的冷冻电镜研究已经揭示了Cav类通道共享的基本结构：通道包含一个名为α1的核心亚基与3个辅助亚基。其中，核心亚基可以折叠成4个同源重复序列（I-V），每个重复序列又包括6个跨膜区段（S1-S6）。电压门控离子通道的核心功能，正是源自这6个跨膜区段：S1-S4在四周侧向分布，构成了电压感应结构域（VSD），负责将电信号传输至中央；而S5和S6在中间形成中心孔结构域（PD），位于PD细胞外侧的选择性过滤器（SF）控制了钙离子的选择性渗透。在具有共性的结构背后，科学家们已经发现了一项微妙的差异：在已知的Cav结构中，Cav1.1、Cav1.3、Cav3.1和Cav3.3的4个VSD都处于“上升”的状态，这时的离子通道处于失活（inactivation）构象；相反，Cav2.2和Cav2.3的一个VSD（VSDII）却处于“下降”的状态，结果是这些通道的PD进一步收缩，处于闭合状态失活（closed-state inactivation）构象，胞内的“门”变得更紧。▲在此前的研究中，颜宁教授团队解析了Cav2.2的结构（图片来源：参考资料[2]）Cav1.2是Cav1在大脑、心脏和平滑肌中的主要类型，也是所有Cav1中作用最广泛的一员。其对于多种生理和神经元活动至关重要，包括心脏和平滑肌收缩、学习与记忆过程，因此自然是多种药物的重要靶点。例如，常用降压药二氢吡啶（DHP）类化合物（例如硝苯地平和氨氯地平）就作为拮抗剂抑制Cav1.2通道。此外，前文提及的碘胺酮与索非布韦协同抑制Cav1.2和Cav1.3通道，可导致危及生命的心动过缓。▲在此前的研究中，颜宁教授团队破解了索非布韦、胺碘酮联合使用导致副作用的分子机制（图片来源：参考资料[3]）除了药物，一些天然毒素同样靶向Cav1.2通道。calciseptine是一种从毒蛇黑曼巴蛇的毒液中提取的神经毒素，是Cav1.2的肽阻滞剂。然而，Cav1.2及其与其余分子结合的高分辨率结构尚未得到足够的解析，这也阻碍了人们对Cav1.2构象的认识以及进一步的药物研发。在最新研究中，作者分别对Cav1.2的未结合底物状态，以及与多种药物和神经毒素calciseptine结合的结构-功能关系进行了系统性分析。这些药物分子包括前文介绍的氨氯地平（DHP类药物）、碘胺酮与索非布韦联用，以及匹维溴铵（pinaverium bromide，PIN）——一种缓解肠易激综合征症状的解痉剂。在神经毒素calciseptine与Cav1.2结合的冷冻电镜结构中， calciseptine占据了Cav1.2的PD的“肩部”区域，远离离子渗透的路径。该结构发现将有助于靶向Cav1.2开发针对这类神经毒素的疗法。▲calciseptine占据了Cav1.2的PD的“肩部”区域（图片来源：参考资料[1]）而该研究中最重要的发现，是Cav1.2与不同分子结合时VSD构象的有趣变化。冷冻电镜成像结果显示，Cav1.2未结合底物，以及分别与氨氯地平、碘胺酮与索非布韦联用、神经毒素calciseptine结合时，Cav1.2的VSD构象不同于已知的其余Cav1成员（Cav1.1、Cav1.3），反倒与Cav2.2和Cav2.3相似，处于VSDII下降、其余3个VSD上升的状态。▲Cav1.2的未结合底物，此时VSDII处于下降状态（图片来源：参考资料[1]）不过，两个亚家族的Cav还是存在一些差异。Cav2.2和Cav2.3的PD收缩得更紧，中心的孔隙更小，膜内开口（fenestration）最多只有一个。相比之下，Cav1.2的PD要略松弛一些，膜内开口也增加到了4个。在以上案例中，Cav1.2中SF的结构都没有改变。然而，Cav1.2与匹维溴铵结合的方式却发生了翻天覆地的变化。当这种拮抗剂插入时，Cav1.2的结构发生了一系列变化：VSDII转为上升的状态，SF膨胀了起来，使得PD处于更加松弛的状态。此时胞内的“门”虽然依旧无法渗透，但直径已经足以插入洗涤剂分子了。▲Cav1.2的不同失活状态（图片来源：参考资料[1]）基于上述结构发现，研究建议将失活Cav通道中的PD构象由紧至松分为“tight”（例如Cav2.2和Cav2.3）、“relaxed”（例如Cav1.2与氨氯地平、calciseptine结合）与“loose”（Cav1.2与匹维溴铵结合）这三种状态，不同的通道拮抗剂表现出对不同构象异构体的偏好。对这些构象变化的理解，更将为研发一系列靶向Cav通道失活状态的药物奠定基础。[1] Gao et al, Structural basis for human Cav1.2 inhibition by multiple drugs and the neurotoxin calciseptine, Cell (2023). https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.007[2] Gao, S., Yao, X. & Yan, N. Structure of human Cav2.2 channel blocked by the painkiller ziconotide. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03699-6[3] X. Yao, S. Gao, et al., Structural basis for the severe adverse of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cav channels. Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.10.024本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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