杨帆/郑颉联合团队发现离子通道感受跨膜电压的新机制

来源 :基础医学系    发布时间 :2020-09-21    浏览次数 :414

一层薄薄的细胞膜,将细胞内环境与外部环境分隔开来,也在细胞膜的内外两侧之间形成了数十毫伏的电势差。这样的跨膜电势差在各种生命活动中都发挥着关键作用。以神经系统为例,神经元的跨膜电势差是形成神经电信号的基础:它可以调控神经元细胞膜上的各种离子通道膜蛋白的开放与关闭,进而形成动作电位与各种神经电活动[1, 2]。那么,细胞膜上的离子通道是如何感受跨膜电压的变化呢?自从20世纪80年代以来,随着电压门控钠离子通道(Nav)和钾离子通道(Kv)的相继克隆[3, 4],人们很清楚的知道NavKv的第四个跨膜螺旋(S4)上存在规则排布的4-5个带正电的氨基酸,它们可以在附近带负电氨基酸的配合下,感受跨膜电压的变化,在跨膜电压去极化时向上移动,进而拉动离子通道的开放[5]。然而,在世纪之交,随着一系列瞬时受体电位(Transient Receptor PotentialTRP)离子通道的发现[6],经典的S4电压感受器理论面临挑战:很多TRP通道可以像NavKv通道那样被跨膜电压直接激活,但是TRP通道的S4上面仅有1个甚至没有带正电荷的氨基酸,那么TRP通道是如何感受跨膜电压的呢?

2020921日,浙江大学基础医学院生物物理学系的杨帆课题组和来自美国加州大学戴维斯分校的郑劼课题组在Advanced Science杂志上发表研究论文 “An unorthodox mechanism underlying voltage sensitivity of TRPV1 ion channel”,以TRPV1通道为例来探索新的跨膜电压感受机制。

该论文首先采用了基于电生理的平滑函数分析等生物物理方法[7],精确测定了TRPV1通道上感受跨膜电压的电荷(Gating Charge)的数量为0.93 个电子(e0),避免了直接采用玻尔兹曼方程拟合电导-电压(G-V)曲线而造成的对Gating Charge的低估。和经典的NavKv通道(约13 e0)相比,TRPV1Gating Charge明显偏少。那么TRPV1上的这近似1个的Gating Charge是否来源于其S4上的一个正电荷氨基酸R558呢?

该研究团队将TRPV1S4R558突变去除正电荷后,突变体的Gating Charge仍然不变,表明TRPV1通道不利用S4来进行跨膜电压的感受。该研究进而探索了TRPV1是否通过利用阳离子跨膜流动或者带电大分子从胞内侧堵孔这样两种在K2P通道与Kir通道上被证明了的机制来感受跨膜电压,却都得到了阴性结果。因此,TRPV1通道更有可能采用一种前所未知的机制来实现跨膜电压感受。

为了找出TRPV1通道Gating Charge的来源,该研究团队将位于孔区的所有带电荷氨基酸逐一突变,去除电荷,但是仍然未能减少TRPV1Gating Charge。但是,该研究团队发现,当降低胞外的pH4.0,将带负电的氨基酸的电荷中和后,Gating Charge降至约一半至0.55 e0,提示位于孔区的带负电的氨基酸可能集体参与了Gating Charge的形成,且由带负电氨基酸的pKa数值估算的电荷变化与Gating Charge的下降数量相符。

TRPV1通道可以被胞外侧的低pH直接激活,那么低pH导致的Gating Charge下降会不会是氢离子激活造成的假象呢?该研究团队运用单通道电生理,详细测量了不同电压下TRPV1通道的开放概率数值,并结合已有数据,构建了可以定量地、系统性地描述TRPV1通道开放概率与电压、低pH和辣椒素三种激动方式关系的变构门控模型(allosteric gating model)。通过该模型,发现跨膜电压和低pH通过相同的变构途径来激活TRPV1通道,进而提示这两种激活方式共享相同的结构机制。

该研究团队进一步通过FRET荧光成像,揭示了低pH引起的孔区外侧的动态构象变化;并通过在不同pH下应用Rosetta进行计算建模,获得了TRPV1通道孔区外侧在低pH激活时的三维结构模型。通过比较该模型与在中性pH下获得TRPV1通道结构,可以发现TRPV1通道孔区的带电氨基酸发生了广泛的构象变化,而这些构象变化带来的所有电荷的部分跨电场运动,足以等效于一个电子的完整跨膜运动,故而很好地解释了TRPV1通道Gating Charge的来源。

总之,该研究提出了TRPV1通道通过一种全新的机制来感受跨膜电压,即孔区的带电荷氨基酸集体参与电压感受,推进了我们对膜蛋白特别是离子通道跨膜电压感受机制的认识。该研究的第一作者和共同通讯作者为浙江大学基础医学院生物物理学系的杨帆研究员,美国加州大学戴维斯分校的郑劼教授为共同通讯作者。浙江大学博士生徐丽臻、加州大学戴维斯分校博士生Bo Hyun Lee、西湖大学副研究员肖弦和加州大学戴维斯分校Vladimir Yarov-Yarovoy教授参与该研究。杨帆研究员得到了国自然面上项目、青年项目、浙江省杰青项目等的资助,该研究也得到了浙江大学医学院公共技术平台在成像与计算上的支撑。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000575

参考文献

1. Hille, B., Ion channels of excitable membranes. 3rd ed. 2001, Sunderland, Mass.: Sinauer.

2. Zheng, J. and M.C. Trudeau, Handbook of ion channels. 2015, Boca Raton, FL: CRC Press. 671 pages.

3. Catterall, W.A., From ionic currents to molecular mechanisms: the structure and function of voltage-gated sodium channels. Neuron, 2000. 26(1): p. 13-25.

4 Jan, L.Y. and Y.N. Jan, Voltage-gated potassium channels and the diversity of electrical signalling. J Physiol, 2012. 590(11): p. 2591-9.

5. Sigworth, F.J., Voltage gating of ion channels. Q Rev Biophys, 1994. 27(1): p. 1-40.

6. Montell, C., L. Birnbaumer, V. Flockerzi, R.J. Bindels, E.A. Bruford, M.J. Caterina, D.E. Clapham, C. Harteneck, S. Heller, D. Julius, I. Kojima, Y. Mori, R. Penner, D. Prawitt, A.M. Scharenberg, G. Schultz, N. Shimizu, and M.X. Zhu, A unified nomenclature for the superfamily of TRP cation channels. Mol Cell, 2002. 9(2): p. 229-31.

7. Horrigan, F.T. and R.W. Aldrich, Coupling between voltage sensor activation, Ca2+ binding and channel opening in large conductance (BK) potassium channels. J Gen Physiol, 2002. 120(3): p. 267-305.