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科研进展

 陈雷、宋晨研究组与合作者在《自然-结构与分子生物学》报导新型机械力敏感离子通道OSCA的鉴定、结构解析与机制研究

 

201896日,北京大学分子医学研究所、北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员陈雷研究组与北京大学定量生物学中心、北京大学-清华大学生命科学联合中心宋晨研究组及复旦大学生命科学学院闫志强研究组在《自然-结构与分子生物学》杂志发表题为《对机械力敏感的OSCA通道的结构》的论文,链接:https://www.nature.com/articles/s41594-018-0117-6 该项研究鉴定并解析了机械力敏感的非选择性离子通道OSCA的原子分辨率(3.5Å)冷冻电镜结构,揭示了OSCA通道的组装模式,并通过突变体的电生理研究及分子动力学模拟,推测了该通道可能的工作机制。

机械力是一种能够被生物体感知的物理信号。生物体通过种类繁多的机械力感受器来感受这种信号。机械力敏感的离子通道(mechanosensitive ion channel)就是一种在所有生物体内都存在的机械力感受器,它们可以把机械力这种力学信号转化为电信号。根据机械力感受机制的差异,人们把这些离子通道分为两大类,分别可以感受膜传递的机械力(比如PiezoK2PMscL等)及感受细胞骨架传递的机械力(比如NOMPC)。有些机械力敏感的离子通道和渗透压感受及应激相关,比如细菌中的MscL等通道。此前有研究报道,拟南芥中的OSCA1.1OSCA1.2通道与渗透压的感受相关。在本研究中,陈雷研究组首先通过在inside-out膜片钳记录电极内施加负压的方式证明拟南芥的OSCA1.1是一个压力敏感的非选择性离子通道。进一步地,通过微管多聚抑制剂及锥形磷脂Lyso-PC处理后电流的变化,证明该离子通道是通过感受膜传递的机械力而激活的。陈雷研究组随后通过冷冻电镜的方法解析了该通道在3.5Å的结构。该结构清晰的显示了OSCA1.1通道是个同源二聚体,每个亚基有11个跨膜螺旋。令人惊讶的是该通道M1-M10跨膜螺旋的结构与TMEM16家族蛋白的结构很相似,但没有序列同源性。TMEM16家族成员包括了钙离子激活的氯离子通道及钙离子激活的磷脂翻转酶等。通过结构分析及宋晨研究组的分子动力学模拟研究,作者们推测了OSCA孔道区的位置,并发现两个位于所推测的孔道区的突变可以改变OSCA单通道电导,从而进一步验证了孔道区的位置。陈雷组又鉴定了拟南芥中的OSCA3.1蛋白是一种可以感受更高压力范围的机械力敏感的离子通道,并解析了其分辨率为4.8Å的结构。该结构和OSCA1.1 通道的结构极为相似。通过序列比对及突变,作者们发现了OSCA3.1OSCA1.1M0上的两个不同的氨基酸可能与其感受不同的压力范围有关。作者们还通过与TMEM16A通道不同门控状态下的结构进行比较及突变体的电生理记录,发现了M6螺旋可能在OSCA响应机械力而开放的过程中会发生与TMEM16A相似的构象变化(复旦大学的闫志强实验室在电生理实验方面提供了部分支持)。上述结果与宋晨研究组分子动力学模拟中所发现的膜表面张力刺激下的通道扩张和跨膜螺旋的构象变化相符合。从而,作者们提出了该新型机械力敏感的离子通道的工作机制模型。

北京大学分子医学研究所陈雷、北京大学定量生物学中心宋晨和复旦大学生命科学学院闫志强为本文共同通讯作者,原陈雷实验室实验员、现CLS博士生章明锋为本文第一作者;王大力、康云路、吴惊香、姚富强和潘成芳参与了此项工作。 该工作冷冻电镜数据采集在上海国家蛋白质科学设施及北京大学电镜室完成,数据处理获得了北京大学CLS计算平台及未名超算平台的支持。此外,生物物理所冷冻电镜平台在前期的工作中给予一定支持。本工作获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、生命科学联合中心、千人计划、中国博士后基金的经费支持。作者吴惊香先后获得了CLS博士后和博雅博士后奖学金的支持。首都医科大学张晨教授在该工作初期提供了电生理实验台的硬件支持,北京大学钟上威研究员提供了拟南芥的全组织cDNA,宾夕法尼亚州Ren Dejian教授提供了TPC基因作为分子量对照。




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