在真核環(huán)核苷酸門控離子通道（CNG）基因中，某些致病突變是導(dǎo)致失明和色盲的直接原因。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李國輝團(tuán)隊(duì)與哥倫比亞大學(xué)教授楊建和阿希姆·弗蘭克團(tuán)隊(duì)開展合作，在CNG的門控分子機(jī)理研究中取得新進(jìn)展。相關(guān)成果6月1日在線發(fā)表于《自然—結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》。
“CNG離子通道主要分布在高等脊椎動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，并且與視覺神經(jīng)傳感和嗅覺神經(jīng)傳感密切相關(guān)。”論文作者之一、大連化物所副研究員張躍斌告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“CNG離子通道門控機(jī)理的研究對理解相關(guān)的致病機(jī)理和生物學(xué)過程有重要意義。”
在視細(xì)胞中，感光色素的光激活會降低細(xì)胞內(nèi)cGMP配體的濃度，從而導(dǎo)致CNG通道關(guān)閉，使細(xì)胞膜產(chǎn)生超極化。在嗅覺神經(jīng)元中，嗅覺受體被氣味分子激活致使細(xì)胞內(nèi)cAMP配體濃度增加，導(dǎo)致CNG離子通道開放，使細(xì)胞膜去極化。以往研究觀點(diǎn)認(rèn)為，CNG離子通道的關(guān)鍵門控氨基酸是位于該蛋白胞外區(qū)域的E379，李國輝團(tuán)隊(duì)前期通過理論模擬發(fā)現(xiàn)，CNG離子通道真正發(fā)揮門控作用的關(guān)鍵氨基酸是位于CNG離子通道S6螺旋上的F403和V407。
理論計(jì)算還需實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。2017年，李國輝團(tuán)隊(duì)開始尋求實(shí)驗(yàn)合作，經(jīng)多方打聽，李國輝與楊建和阿希姆·弗蘭克取得聯(lián)系。楊建曾通過原子分辨率冷凍電鏡技術(shù)首次揭示了秀麗線蟲的CNG離子通道TAX—4的全長結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被解析后發(fā)現(xiàn)處于與cGMP配體結(jié)合時(shí)的開放狀態(tài)。阿希姆·弗蘭克是2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一，因發(fā)明單粒子冷凍電鏡而聞名。
“我與他們之前并不相識，我們的溝通主要通過郵件和微信開展。”李國輝回憶道。一場從未謀面的國際合作就此展開。
“兩位教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了我們的理論計(jì)算是正確的。”張躍斌表示，“然而中間的過程并非一帆風(fēng)順，一開始的反饋是我們預(yù)測的狀態(tài)可能不太對。”
“我差點(diǎn)認(rèn)為這是一場不成功的國際合作，并做好放棄的打算。”李國輝說。然而，當(dāng)2019年春節(jié)再次收到楊建的微信時(shí)，他有些意外。“我們做了結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，跟你們預(yù)測的基本一致。”楊建說。“沒想到時(shí)隔兩年，這場合作還可以重新啟動(dòng)。”李國輝感嘆，“這就是科研的魅力所在。”
楊建和阿希姆·弗蘭克團(tuán)隊(duì)通過單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù)，分別解析了CNG通道開放狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)和F403/V407雙突變下的高分辨三維結(jié)構(gòu)，并通過電生理實(shí)驗(yàn)證實(shí)了F403和V407雙疏水閥在調(diào)控CNG通道離子傳輸中的核心作用。
