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新闻

郭江涛课题组发文解析人源钾氯共转运蛋白KCC2,3,4的冷冻电镜结构

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2020年12月14日 访问次数:10  源地址

2020年12月11日绝地求生下注,浙江大学基础医学院郭江涛课题组在Science Advances杂志上发表论文Structures and an activation mechanism of human potassium-chloride cotransporters绝地求生下注绝地求生下注,报道人源KCC2绝地求生下注绝地求生下注、KCC3和KCC4的2.9-3.6 ?高分辨率冷冻电镜结构,揭示了KCC家族保守的N末端肽段自抑制现象绝地求生下注,并提出了一种潜在的激活机制绝地求生下注绝地求生下注。

阳离子-氯离子共转运蛋白广泛分布于所有的生物界中绝地求生下注,具有非常重要的生理功能,包括调节细胞体积绝地求生下注,承担肾小管的重吸收作用绝地求生下注,调节神经元细胞内部氯离子浓度和神经元的兴奋性绝地求生下注绝地求生下注。根据转运离子种类的不同绝地求生下注绝地求生下注,阳离子-氯离子共转运蛋白可以分为三类:钠钾氯共转运蛋白(NKCC)绝地求生下注、钠氯共转运蛋白(NCC)和钾氯共转运蛋白(KCC)绝地求生下注。人类基因组共编码 2 个钠钾氯共转运蛋白(NKCC1 和 NKCC2)、1 个钠氯共转运蛋白(NCC)和 4 个钾氯共转运蛋白(KCC1-4)。NKCC和NCC利用细胞膜两侧的Na+浓度梯度将细胞外的Na+、K+绝地求生下注、Cl-或Na+、Cl-转运至细胞内;KCC则由细胞膜两侧的K+浓度梯度驱动将细胞内的K+和Cl-转运至细胞细胞外。阳离子-氯离子共转运蛋白的转运底物为 Na+绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注、K+和 Cl-这些生命体内主要的阳离子和阴离子绝地求生下注绝地求生下注,故而它们在多项生命活动过程中发挥着重要的作用绝地求生下注。

钾氯共转运蛋白KCC1-4介导K+和Cl-的耦合输出,在各种生理和病理过程中发挥着重要的作用。KCC2维持神经元细胞中氯离子的正常水平绝地求生下注,在γ-氨基丁酸和甘氨酸介导的抑制性神经传递中发挥着重要作用绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注。KCC2突变会导致抑制性神经元内Cl-浓度升高绝地求生下注,抑制性神经元易于去极化而引发动作电位持续发放,诱导癫痫发作绝地求生下注。KCC2的突变会导致两种类型的人类癫痫绝地求生下注绝地求生下注,一种是特发性全身性癫痫(Idiopathic Generalized Epilepsy绝地求生下注,IGE)绝地求生下注绝地求生下注,该类癫痫无脑部器质性或代谢性疾病表现, 与遗传因素密切相关并以全面性发作为发作类型;另一种是婴儿癫痫伴游走性局灶性发作(Epilepsy of Infancy with Migrating Focal Seizures绝地求生下注绝地求生下注,EIMFS)绝地求生下注绝地求生下注,属于癫痫性脑病。而KCC3在上皮细胞中介导Cl-的跨膜转运,并参与脑脊液的产生。KCC3的功能异?绝地求生下注;嵋餉ndermann综合症绝地求生下注,一种胼胝体发育不全的遗传性运动和感觉神经病绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注。编码KCC3的SLC12A6是Andermann综合症的唯一致病基因,该疾病的临床表型的严重程度与基因的突变类型有关。KCC3的突变还可以引发耳聋以及神经退行性疾病。KCC家族成员的重要功能决定了它们将是治疗这些疾病的重要药物靶点绝地求生下注,因此KCC家族成员的结构以及调节机制成为了该研究领域的热点问题绝地求生下注。

本研究中,作者报道了人源KCC2绝地求生下注、KCC3和KCC4的2.9-3.6 ?高分辨率冷冻电镜结构。KCC2-4具有相似的整体结构、结构域交换二聚体组装方式和向内构象。在该构象中,KCC2-4的二体组装主要是靠C末端结构域的二聚化来维持,跨膜结构域对二体组装贡献较少(图1)绝地求生下注绝地求生下注。在2.9 ? KCC4的高分辨率冷冻电镜结构中绝地求生下注,进一步验证了之前该研究组在KCC1结构中确定的1个K+和2个Cl-结合位点绝地求生下注。

1. KCC2绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注,KCC3KCC4的二聚体结构绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注。

上:冷冻电镜密度图,下:卡通结构图。

KCC2-4的结构中绝地求生下注,研究人员意外地发现,N末端肽段在面向胞质的腔中与跨膜结构域紧密结合绝地求生下注绝地求生下注,并与C末端结构域发生静电相互作用。结构分析发现,N末端肽段一方面阻断了底物离子的结合绝地求生下注,另一方面限制了底物离子结合附近的构象变化绝地求生下注绝地求生下注,从而将KCC2-4锁定在自抑制状态(图2)绝地求生下注绝地求生下注。这一自抑制效应进一步通过离子转运活性实验进行了验证:当突变N末端肽段中与跨膜结构域作用的氨基酸时绝地求生下注绝地求生下注,KCC2的离子转运活性显著提升(图2)绝地求生下注。

2. KCC2N末端自抑制。

(A) KCC2单个亚基的卡通侧视图。胞外结构域和跨膜结构域用青色表示绝地求生下注绝地求生下注,N末端多肽用黄色表示,C末端结构域用粉色表示绝地求生下注绝地求生下注。(B-EN末端与跨膜螺旋和C末端结构域之间的相互作用;其中(E)显示N2C末端结构域之间的静电相互作用绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注,分别显示为卡通图(左)以及表面静电势模式(右)。(F)用注射KCC2野生型和突变体cRNA的非洲爪蟾卵母细胞来检测K+内流情况。

此外绝地求生下注,在结构解析的过程中,研究人员发现KCC存在着C末端结构域运动的现象绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注。当C末端结构域与跨膜结构域之间发生相对运动时,N末端肽段与C末端结构域的静电作用会被破坏,从而减弱了N末端肽段的结合绝地求生下注。这暗示C末端结构域通过调节N末端肽段的自抑制作用来调节KCC家族成员的活性。研究人员通过与NKCC1的结构进行比较绝地求生下注,进一步验证了激活状态下的KCC的C末端结构域的运动状态。

在此基础上绝地求生下注绝地求生下注绝地求生下注,研究人员提出了KCC家族蛋白被激活的模型绝地求生下注绝地求生下注,在自抑制状态下绝地求生下注绝地求生下注,N末端肽段结合在面向胞质的腔中绝地求生下注,并将转运蛋白锁定在向内构象中。C末端结构域与N末端肽段的相互作用,稳定这种自抑制状态。随着跨膜螺旋TM12的旋转和平移,N末端肽段与跨膜结构域和C末端结构域之间的相互作用被破坏绝地求生下注,N末端肽段从面向胞质的腔中解离绝地求生下注绝地求生下注,KCC被激活(图3)绝地求生下注绝地求生下注。

3. KCC的激活模型绝地求生下注绝地求生下注。

在自抑制状态下绝地求生下注绝地求生下注,N末端肽段结合在面向胞质的腔中绝地求生下注,并将转运蛋白锁定在向内构象中绝地求生下注。C末端结构域与N末端肽段相互作用绝地求生下注,并稳定这种自抑制状态绝地求生下注。随着跨膜螺旋TM12的旋转和平移绝地求生下注,N末端肽段与C末端结构域之间的相互作用被破坏绝地求生下注,N末端肽段从面向胞质的腔中解离绝地求生下注,KCC被激活。

本研究解析了KCC家族完整的结构,并发现N末端肽段自抑制现象绝地求生下注绝地求生下注。在未来的研究中绝地求生下注,需要进一步探讨体内生理状态下自抑制的调控机理。同时,这一自抑制现象为设计KCC激动剂提供了思路:设计别构调控分子绝地求生下注绝地求生下注,减弱N末端肽段的结合绝地求生下注,从而起到激活KCC的效果绝地求生下注,为开发抗癫痫药物提供结构基础绝地求生下注绝地求生下注。

本研究得到了自然科学基金面上项目绝地求生下注、浙江省杰青和科技部重点研发计划的支持。浙江大学基础医学院解媛博士和常圣海博士为共同第一作者;浙江大学基础医学院郭江涛研究员绝地求生下注、天津大学生命学院叶升教授和美国范德比尔特大学Eric Delpire为共同通讯作者。

郭江涛课题组一直致力于癫痫相关的膜蛋白的结构和调控机理研究绝地求生下注。2019年10月25日,郭江涛课题组在Science杂志上发表研究论文Cryo-EM structures of the human cation-chloride cotransporter KCC1,在国际上率先报道人源KCC1的结构,揭示了KCC家族的结构和离子结合位点绝地求生下注,为进一步揭示钾氯共转运机理提供了基础。2020年9月3日,郭江涛课题组在Cell Research上发表研究论文Molecular basis for ligand activation of the human KCNQ2 channel,在国际上首次报道人源钾通道KCNQ2的冷冻电镜结构,解析了抗癫痫药瑞替加滨与KCNQ2复合物的结构,揭示了其激活机理绝地求生下注。这些系统性的结构生物学研究为揭示癫痫病的发病机理提供了线索,也为开发抗癫痫药物打下了坚实的基础绝地求生下注绝地求生下注。

原文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/50/eabc5883


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