NSMB | “疏”而不漏——杨建/李国辉等揭示环核苷酸门控离子通道门控机制

来源：BioArt

视觉和嗅觉是高等动物中两种极其重要而又十分精密的感官活动，两者的发生涉及眼睛和鼻子将外界光信号或化学信号转变为生物电信号的过程。在这个过程中，控制感受器细胞产生阳离子内流，进而产生生物电信号的是一类环核苷酸门控离子通道（Cyclic nucleotide-gated channel, CNG channel）。CNG通道对人至关重要，如果CNG通道发生突变，可诱发色素性视网膜炎（Retinitis pigmentosa）、单色或全色色盲（Achromatopsia）以及嗅觉紊乱等多种疾病。

CNG通道属于电压门控离子通道超家族，是由四个相同或不同亚基形成的四聚体，但其区别于该家族其它成员，如钙通道（Cav）、钾通道（Kv）和钠通道（Nav）等，一个最大的不同是，CNG通道的开放和关闭不受细胞膜电位变化的影响，而是由细胞内环核苷酸cGMP或cAMP控制。2017年，美国哥伦比亚大学/中科院昆明动物研究所杨建课题组和清华大学李雪明课题组首次报道了线虫CNG通道TAX-4结合cGMP的冷冻电镜三维结构【1】。该研究解析了CNG通道处于开放状态的高分辨率结构，清晰解释了CNG通道不受细胞膜电位变化影响的分子基础，即CNG通道具有一个不同寻常的类电压感受结构域（Voltage-sensor-like domain）。

CNG通道是一种非选择性阳离子通道，可以通透包括Na+、K+和Ca2+等多种阳离子。长久以来，领域普遍认为离子选择性过滤器（Ion selectivity filter）是开关CNG通道的门【2-4】。然而，由于尚未有同一CNG通道开放及关闭两种构象的报道，这个观点缺乏基于结构生物学的直接证据。此外，cGMP和cAMP通过结合CNG通道的环核苷酸结合结构域（Cyclic nucleotide binding domain，CNBD）激活通道，而CNBD位于通道分子的胞内端，距离离子选择性过滤器约65埃；cGMP和cAMP如何通过结合CNBD进而激活CNG通道开放是困扰CNG通道领域多年的热点问题。

2020年6月1日，杨建课题组、哥伦比亚大学Joachim Frank课题组、以及中科院大连物化所李国辉课题组，在Nature Structural & Molecular Biology杂志上在线发表了题为“Mechanism of ligand activation of a eukaryotic cyclic nucleotide-gated channel”的研究长文，报道了TAX-4通道在Lipid-nanodisc中处于开放及关闭两种状态的高分辨率冷冻电镜三维结构，详细阐述了cGMP激活TAX-4通道的分子机制，并揭示了一个新的通道疏水门。

在这项研究中，作者首先重构出具有生物活性的TAX-4-Lipid-nanodisc复合物，利用单颗粒分析的方法，解析了TAX-4在磷脂双分子层环境中的无配体状态和cGMP结合状态的电镜结构，分辨率分别为2.6埃和2.7埃。通过分子动态模拟和结构对比等分析，作者勾勒出cGMP激活CNG通道开放的复杂过程：cGMP结合CNBD，导致后者发生显著构象改变，特别是导致其C-helix旋转（Rotate）和倾转（Tilt）；CNBD的构象变化促使与其相互作用的C-linker中的C’-D’-E’-F’ α螺旋区域整体向细胞膜方向移动，进而推动由A’B’ α螺旋区域组成的、属于C-linker一部分的门控环（Gating ring）逆时针旋转（由胞内向胞外看）、倾转（Tilt）和扭转（Twist），并上移靠近细胞膜；门控环与S6直接相连，前者“旋转-倾转-扭转-上移”导致后者扭转和扩张（Dilate），最终打开通道。

一个关键的问题是，离子选择性过滤器是不是CNG通道的激活门？结构对比显示TAX-4通道的离子选择性过滤器在cGMP结合前后没有发生明显变化；相反，紧邻离子选择性过滤器下方的位于S6上的两个疏水残基F403和V407却发生显著变化：在cGMP结合后，两个疏水残基的氨基酸侧链向通道孔外侧翻转，从而导致通道开放。值得注意的是，F403和V407在原核生物和真核生物的多种CNG通道中是高度保守的，包括人源CNG通道，这提示S6上的这两个疏水残基在进化过程中对CNG通道的功能发挥极为重要。进一步的理化分析发现，整个离子通透途径（Ion permeation pathway）中对水分子的最大阻碍来自位于细胞膜中央的F403和V407，而非离子选择性过滤器，显示CNG通道的激活门不是离子选择性过滤器，而是由F403和V407形成的中央疏水门。此工作从结构生物学的角度揭示离子通道有一个新的由S6上两个保守性疏水残基形成的疏水门。这一疏水门距离cGMP结合位点约51-54埃，通过上述复杂联动构象变化打开。

总之，该研究解决了CNG通道领域多年以来悬而未决的问题，提出了全新的CNG通道开放模型，为进一步了解及治疗CNG通道相关疾病提供了坚实可靠的基础。探索科学问题的过程可能是曲折繁琐的，但科学问题的答案往往是通俗易懂的，也许“疏”而不漏便是对CNG通道门控机制的最好总结。

杨建教授、Joachim Frank教授和李国辉教授为本工作的共同通讯作者。杨建课题组博士后郑向东、Joachim Frank课题组博士生傅子敖和杨建课题组博士生苏德源为本工作的并列第一作者。本工作中的GUV单通道电生理实验得到美国贝勒医学院周鸣教授课题组的大力支持。

参考文献

1    Li, M. H. et al. Structure of a eukaryotic cyclic-nucleotide-gated channel. Nature542, 60-65, doi:10.1038/nature20819 (2017).