宋晨研究组发展新钙离子模型揭示钙离子通道RyR1的离子通透新机制
2020年2月17日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了北大前沿交叉学科研究院定量生物学中心、生命科学联合中心宋晨研究组的论文：The Ca2+ permeation mechanism of the ryanodine receptor revealed by a multi-site ion model（多点离子模型揭示的Ryanodine受体（RyR）钙离子通透机制）。该研究发展了一个新的适用于经典力场分子动力学模拟的多点钙离子模型，与已有钙离子模型相比大幅提高了钙离子与蛋白相互作用计算的准确度。借助该模型及分子动力学模拟，该研究首次在模拟中观察到了Ryanodine受体的钙离子转运过程，发现了该通道的一系列独特的微观转运特征，提出了Ryanodine受体中钙离子的remote knock-on转运机制。
钙离子调控神经递质释放、细胞命运、肌肉收缩等多种生理过程，是细胞中最重要的第二信使之一。细胞内不同部位的钙离子浓度受到多种钙离子通道的精确调控，如控制内质网/基质网中钙离子释放的Ryanodine受体等。虽然钙离子的转运已被广泛研究，但钙离子与通道蛋白相互作用的许多分子细节尚不明晰。分子动力学模拟是研究离子与蛋白相互作用，并提供微观定量信息的有效手段之一。然而现有的钙离子模型不能在经典分子力场中准确地计算钙离子与蛋白的相互作用，往往大幅度高估钙离子与蛋白质的结合能。因此，虽然近期多个钙离子通道结构的解析为计算模拟研究提供了基础，但由于已有钙离子模型的不可靠性，钙离子的通透机制无法得到深入的研究。
基于上述现状，宋晨研究组发展了一个新的多点钙离子模型（图1插图），通过优化其六个可调节参数，该离子模型能定量描述钙离子在水溶液中的热力学及动力学特征，同时其与多种蛋白的结合能计算也更加精确，显著优于已有力场的钙离子模型。新的离子模型计算得到的钙离子-蛋白结合能与量子力学及可极化力场结果相近（图1），且兼容性高，计算量低，可方便地用于经典非极化力场的分子动力学模拟中，有助于推进钙离子与蛋白相互作用的分子动力学模拟研究。鉴于钙离子在生物体中的重要性，预期该模型将在生物体系的计算模拟中获得广泛应用。
图1 多点钙离子模型示意图（左下插图）及离子-蛋白结合能计算结果比较。QM：量子力学方法；CAM：新发展的多点钙离子模型；Drude：可极化力场模型；C36：传统力场模型。
利用上述新发展的多点钙离子模型，宋晨研究组对主要分布在骨骼肌细胞中的Ryanodine受体（RyR1）的开放态结构进行了分子动力学模拟研究（图2）。结果表明，钙离子能够连续通过开放态的RyR1孔道，且所得电导率与实验相近，进一步验证了多点钙离子模型的准确性。对模拟轨迹的分析表明，Ryanodine受体的上层管腔区通过静电吸引可以高效地收集钙离子且具有一定的二价阳离子选择性；在转运过程中，钙离子几乎保持完整的第一水合层通过孔道区；RyR1的窄孔道区仅被一个钙离子占据，呈现one-at-a-time的占据特征，且该离子退出孔道区时往往伴随着过滤区中其它钙离子的进入。钙离子间更强的静电排斥及RyR1较短的孔道狭窄区域被认为是呈现该特征的主要原因。该研究据此现象提出了钙离子的remote knock-on通透机制（图3），即钙离子借助较强的远程静电排斥作用一次一个地通过孔道狭窄区域，与已知其它离子通道的通透方式显著不同。上述结果和新机制的提出有助于理解RyR通道的高电导性及低选择性特性，为钙离子通道通透性及选择性的研究提供了重要信息。
图2 模拟体系（左）及模拟中观测到的钙离子通透曲线（右）。
图3 RyR钙离子通透机理示意图
北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心、生命科学联合中心宋晨研究员为该论文的通讯作者。定量生物学中心宋晨研究组的张爱华博士为论文第一作者，博士后于华、博士生刘春宏参与了该研究工作。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和生命科学联合中心的经费资助。生命科学联合中心高性能计算平台为该研究提供了部分计算资源。
本稿作者：刘春宏、宋晨
