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南开大学科研团队揭示一种新颖的钙离子跨膜传
发布时间:2019-05-08 03:12   作者:威尼斯人网上娱乐   点击:

  (记者 吴军辉 通讯员 崔长智)钙离子是细胞中非常重要的第二信使。钙信号转导在生物体的整个生命进程中发挥着至关重要的作用。位于质膜上的钙离子通道Orai异常与包括免疫缺陷、肌张力减退、肾小管聚集性肌病、Stormorken综合征等多种疾病密切相关。然而,科学界始终未能破解Orai通道如何发挥作用。

  经过多年持续攻关,南开大学生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室沈月全教授团队,利用X-射线晶体学和冷冻电镜的方法解析了激活态Orai通道三维结构,并结合生物化学、细胞生物学和电生理方法成功阐释了Orai通道的激活机制及其钙离子通透机制,为相关疾病致病机理研究、药物研发奠定了基础。日前,该工作以研究长文形式发表于国际知名学术刊物PLOS Biology上。

  内质网钙库调控的胞外钙离子内流进程(SOCE)是哺乳动物中胞外钙离子内流的主要途径之一,而且是非兴奋细胞中钙信号调控的中心机制。SOCE过程起始于细胞外配体与细胞外膜上的受体结合,引发内质网中储存的钙离子释放,激活位于内质网上的钙离子感受器STIM蛋白,STIM蛋白聚集随后迁移至内质网-质膜(ER-PM)的连接处,结合并激活位于质膜上的钙离子通道Orai。Orai蛋白属于钙库调控的钙离子通道(SOC)家族,与目前发现的其他钙离子通道性质完全不同,其特点包括电压非依赖性,极低的电导和极高的Ca2+选择性。

  沈月全团队长期关注SOCE过程。2012年,该课题组在PNAS上首次报道了STIM1蛋白的活性结构域的晶体结构,提出了STIM1蛋白激活Orai1通道的分子机制;2017年,课题组又在Nature Communication发表长文阐释了钙调素蛋白CaM可以解离活化的STIM1和Orai1形成的复合体,从而负调控SOCE进程。

  在本次的研究中,沈月全团队首先利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术解析了激活态Orai通道的晶体结构。结构显示激活态Orai通道呈现六聚体组装。随后,通过比较闭合态和激活态的Orai通道结构,研究人员发现,通道的激活是由位于六聚体外侧的螺旋通过摆动,诱导六聚体中心的螺旋在胞内侧张开来完成的。

  令研究人员意外的是,离子通透的疏水门控区域在激活前后没有发现构象差别,这与已经报道的其他疏水门控的离子通道十分不同。结合实验数据,该团队提出了一个新颖的钙离子通透机理。Orai通道在闭合状态下,六聚体被最外侧螺旋紧紧缠绕,使细胞质一侧的离子通透孔处于收缩状态。此时,Orai通过正电荷排斥和负离子塞子共同相互作用来阻止Ca2+通透。当Orai通道打开时,六聚体最外侧螺旋摆动,从而拉动六聚体中心的螺旋在胞内侧向外扭曲,暴露碱性氨基酸富集区,因此能够吸引并聚集负离子。这些负离子不仅可以中和通道内的正电荷以减少电荷排斥,还可以增加通道内部质膜两侧的电位梯度。在这种情况下,通道内的钙离子一方面受到细胞外钙离子的排斥作用,起到“推”的作用;另一方面又受到细胞内负电荷吸引,起到“拉”的作用。钙离子在这样的“推-拉”合力下,通过疏水门控区域,进入到细胞内。

  介绍该工作的论文中提出的这一负离子辅助的钙离子通透机制是在离子通道中首次被提出。这一研究对于更好的理解钙通道调控的钙离子信号传导及其药理学作用提供了重要的分子基础。

  沈月全教授,生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室杨雪副教授为论文的共同通讯作者,南开大学博士生刘晓芬、吴广彦为论文共同第一作者。该工作冷冻电镜数据采集于浙江大学冷冻电镜中心。本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、南开大学博士研究生项目的资助。



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