9月7日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在其官網(wǎng)上在線(xiàn)發(fā)表了最新一批論文。其中，我們很高興地看到一篇來(lái)自顏寧課題組的研究。值得一提的是，這是在過(guò)去的這個(gè)暑假里，顏寧課題組發(fā)表的第三篇《科學(xué)》長(cháng)文（Research Article）。在今天的這篇文章里，我們也將為各位讀者介紹和回顧這些進(jìn)展。
9月7日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在其官網(wǎng)上在線(xiàn)發(fā)表了最新一批論文。其中，我們很高興地看到一篇來(lái)自顏寧課題組的研究。值得一提的是，這是在過(guò)去的這個(gè)暑假里，顏寧課題組發(fā)表的第三篇《科學(xué)》長(cháng)文（Research Article）。在今天的這篇文章里，我們也將為各位讀者介紹和回顧這些進(jìn)展。
9月6日，顏寧課題組的這項最新論文正式在線(xiàn)發(fā)表，這是關(guān)于電壓門(mén)控鈉離子通道（Nav）的研究。盡管Nav可能對許多人類(lèi)疾病有著(zhù)潛在影響，但幾十年來(lái)的大量探索，依舊沒(méi)有解析出任何來(lái)自人類(lèi)的Nav通道結構，這也在很大程度上影響了我們對其作用機理的理解，限制了相應的新療法開(kāi)發(fā)。
在這項研究里，研究人員們使用冷凍電鏡技術(shù)，報道了人類(lèi)Nav1.4-β1復合體的結構，分辨率達3.2 Å。具體來(lái)看，該結構提供了關(guān)于孔道結構域、電壓感應域、以及β1亞基的詳細信息，讓我們了解了人類(lèi)Nav1.4通道在鈉離子滲透性上的分子基礎，也為其四個(gè)跨膜重復區域的動(dòng)力學(xué)不對稱(chēng)性提供了新的洞見(jiàn)。
結構分析也進(jìn)一步揭示了一些致病突變的作用機理。原來(lái)，如果影響到關(guān)鍵氨基酸，就會(huì )導致一種變構抑制效應，快速讓Nav通道失活。這個(gè)人類(lèi)Nav結構的闡明，不但解釋了過(guò)去的一些發(fā)現，還鋪平了通往未來(lái)研究的道路，使得針對Nav通道開(kāi)發(fā)新藥成為了可能。
顏寧教授為學(xué)術(shù)經(jīng)緯的讀者們介紹了該研究的重要性：“Nav1.4幾乎是所有鈉通道中功能研究最全面、生物物理數據最多的一個(gè)亞型，但電鰻的Nav1.4通道無(wú)法在非內源體系中做電生理分析，所以沒(méi)有辦法進(jìn)行深一步的研究。人類(lèi)Nav1.4通道結構的獲得改變了這一現狀。今后科學(xué)家們能夠以電生理數據為指導，獲取Nav在不同狀態(tài)下的結構，將靜態(tài)的不同畫(huà)面拼成‘動(dòng)態(tài)電影’，最終能夠呈現它工作的完整過(guò)程。”
“另一方面，Nav通道是重要的制藥靶點(diǎn)，Nav1.7與Nav1.8更是很多公司開(kāi)發(fā)新型止痛劑的靶標。一直以來(lái)，很多人想獲得Nav的抗體，但是因為沒(méi)有辦法拿到純化的蛋白，所以連抗體都沒(méi)法生成。我們這個(gè)工作的另外一重意義，就是說(shuō)鈉通道也是可以體外表達，完整折疊的。這樣一個(gè)技術(shù)難關(guān)也被我們攻克了。”顏寧教授補充道。
這同樣是一項關(guān)于Nav的研究。我們知道，Nav通道在產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)信號方面具有關(guān)鍵性作用，因此，它們是多種化學(xué)殺蟲(chóng)劑和人類(lèi)藥物的靶點(diǎn)。同時(shí)，Nav也是神經(jīng)毒素最常見(jiàn)的靶點(diǎn)。神經(jīng)毒素靶向鈉離子通道的方法可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)稱(chēng)為孔隙阻滯劑（pore blocker），它們通過(guò)堵塞離子通道孔隙來(lái)抑制鈉離子的流動(dòng)，這類(lèi)神經(jīng)毒素包括河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）和石房蛤毒素（saxitoxin，STX）。第二類(lèi)神經(jīng)毒素稱(chēng)為門(mén)控調節毒素（gatingmodifier toxins, GMTs），它們通過(guò)復雜的別構效應將離子通道的構像固定在一個(gè)狀態(tài)，從而達到抑制或激活離子通道的效果，其中包括蜘蛛毒素Dc1a。但是，這兩類(lèi)神經(jīng)毒素的具體作用機制卻一直未能得到澄清。
在7月26日刊登在《科學(xué)》雜志上的這項研究里，顏寧課題組利用冷凍電鏡技術(shù)，獲得了昆蟲(chóng)Nav通道與Dc1a結合時(shí)的復合體，以及Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX復合體的冷凍電鏡結構。它們的分辨率分別為2.8 Å、2.6 Å、和3.2 Å。通過(guò)對Nav-Dc1a復合體結構進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現，Dc1a毒素同時(shí)與Nav通道的電壓感應域（voltage sensing domain, VSD）和孔道結構域相結合來(lái)改變離子通道的構像。Dc1a和鈉離子通道之間的復雜相互作用涉及到多個(gè)位于不同蛋白域的氨基酸。這些氨基酸的功能在隨后的生化實(shí)驗中也得到了確認。
對Nav-Dc1a-TTX和Nav-Dc1a-STX復合體結構的分析幫助發(fā)現了在Nav通道細胞膜外側與TTX和STX發(fā)生相互作用的特定氨基酸位點(diǎn)，從而為T(mén)TX和STX阻斷Nav通道的功能性研究提供了結構學(xué)上的解釋。
這項研究對藥物開(kāi)發(fā)還具有重要意義。因為GMTs與孔隙阻滯劑相比具備更高的選擇性，因此它們的行為可以為研發(fā)針對特定鈉離子通道亞型的藥物提供寶貴的信息。這項研究的結果表明，GMTs與鈉離子通道相互作用的區域不僅僅局限在VSD，因此研發(fā)人員需要謹慎對待只使用鈉離子通道的VSD片段得出的描述GMTs行為的研究結果。
Hedgehog（Hh）信號通路是發(fā)育生物學(xué)中的一條經(jīng)典通路，它對于胚胎發(fā)育有著(zhù)極為重要的作用。在成人中，倘若這條通路被過(guò)度激活，就可能會(huì )引發(fā)癌癥。這條通路中的核心蛋白之一是名為Patched 1（Ptch1）的受體。當這款受體蛋白與Hh蛋白相結合時(shí)，就會(huì )解除對下游蛋白的抑制，開(kāi)啟信號通路。這一步對于整條通路而言意義重大，但關(guān)于其背后的結構基礎，卻一直沒(méi)有得到闡明。
在這項研究中，顏寧課題組獲得了人類(lèi)Ptch1蛋白的冷凍電鏡結構，分辨率達3.9 Å。此外，研究人員們也得到了Ptch1與Hh同源的Shh蛋白N段（ShhN）相結合下的復合體冷凍電鏡結構，分辨率達3.6 Å。通過(guò)這些冷凍電鏡結構，我們看清了Ptch1的12個(gè)跨膜結構域和兩個(gè)細胞外結構域ECD1與ECD2。這兩個(gè)細胞外結構域在ShhN接近時(shí)，會(huì )相互靠近，組成與ShhN的結合位點(diǎn)。這一識別機制也通過(guò)生化實(shí)驗得到了證實(shí)。
此外，基于這些結構，研究人員們還通過(guò)生化分析，揭示了ShhN與Ptch1相互作用時(shí)，對于類(lèi)固醇的依賴(lài)性。相比之下，那些無(wú)法結合類(lèi)固醇的突變Ptch1蛋白與野生型相比，展現出了明顯的構象重排。
這項研究揭示了人類(lèi)Ptch1蛋白以及Ptch1蛋白-ShhN復合體的分子結構機制，讓我們對這一重要信號通路的關(guān)鍵步驟有了更為直觀(guān)的理解。
“做科研苦不苦？我一直不愿意用這個(gè)‘苦’字，各行各業(yè)哪有天上掉餡餅的？”顏寧教授說(shuō)道：“但是‘苦’其實(shí)是一種心理感受，當真正做進(jìn)去了，更多的時(shí)候是一種不由自主的廢寢忘食、神魂顛倒。而等到做出來(lái)那一刻的狂喜，似乎之前的種種都不算什么?？蒲惺邱R拉松，不是短跑，哪有做出做不出，只有放棄不放棄。
”我們祝賀顏寧教授課題組在這個(gè)暑期的豐收，也期待結構生物學(xué)的進(jìn)展能不斷為我們揭示生物體的更多奧秘，帶來(lái)潛在的醫學(xué)轉化！
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