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應用分享丨冷凍電鏡推進離子通道蛋白研究
離子通道是一類廣泛的蛋白復合物，作為細胞膜上的開口，離子通道使各種離子在細胞內部和細胞外介質之間交換并加以調節。這些通道在細胞維持和穩態中起到了*的作用。離子通道的失調與大量的疾病（也稱為離子通道病）有關，包括癌癥、癡呆癥、糖尿病、哮喘等等。離子通道是藥物設計中的一大難題，主要原因在于其選擇性抑制劑的設計具有一定難度，藥物缺乏特異性會對其它關鍵的、結構類似的離子通道產生負面影響。
冷凍電鏡圖
從膜面看 SARS-CoV-2 3a 離子通道在脂質納米盤中的 2.9? 分辨率的模型。圖為David M. Kern 等人在脂質納米盤中 SARS-CoV-2 3a 離子通道的冷凍電鏡結構圖，可在CC BY 4.0下使用。
作為膜蛋白，離子通道對傳統的結構分析技術（如 X 射線晶體學）有一定的挑戰。首先，這些復合物往往（至少部分）依靠膜來維持它們的結構，而將它們分離出來進行結晶會破壞它們的原始狀態。更關鍵的是，離子通道的不同構象對藥物研發至關重要，因為它們揭示了離子通道的結合點以及過渡狀態。任何無法區分這些構象的研究方法，都難以基于結構進行藥物設計。
冷凍電鏡 (cryo-EM) 包含一系列技術，包括單顆粒分析、冷凍電子斷層掃描和微電子衍射。在離子通道的研究中，冷凍電鏡對嵌入納米盤中的通道蛋白復合物進行單顆粒分析。納米盤的脂質結構模仿了細胞膜的形態，有助于保持離子通道的原始狀態。冷凍電鏡從不同角度對數以千計的樣品顆粒進行成像，然后對這些二維圖像進行三維重構。由于圖像可以被分類和分組，離子通道的不同構象可以被分離出來，并單獨進行分析和重構，以獲得不同構象的結構。
冷凍電鏡的分辨率和質量足以展現激動劑和拮抗劑分子與離子通道的結合，揭示了潛在治療受體的精確位置和構象。以下是制藥公司利用冷凍電鏡技術研究離子通道、推進基于結構的藥物設計的幾個例子：
經典瞬時受體電位 (TRPC) 蛋白構成了一個非特異性陽離子通道家族，與多種病理現象相關。盡管TRPC具有疾病治療潛力，但其結構和作用機制在很大程度上仍然是未知的。Amgen公司的研究人員利用冷凍電鏡，不僅得到了 TRPC6 的高分辨率結構，而且還確定了其與拮抗劑和激動劑結合狀態的結構。通過確定這些識別位點，Amgen公司為未來針對 TRPC 相關疾病的藥物設計鋪平了道路。
TRPC6 的電子密度圖 (A) 和疊加蛋白質結構 (B) ，紫紅色為結合的激動劑。圖為 Yonghong Bai 等人的 TRPC6 通道藥理調節的結構基礎，可在CC BY 4.0下使用。
電壓門控鈉離子 (Nav) 通道是藥物研究的一個關鍵領域，因為它不僅是毒素和治療劑的作用靶標，并且容易發生疾病突變。值得注意的是，該通道的突變與偏頭痛、癲癇、疼痛以及心臟和肌肉麻痹綜合征有關。然而，科學家對該通道的機械行為仍然知之甚少。基因泰克公司（羅氏集團）的研究人員利用冷凍電鏡研究了 Nav7 與 Protoxin II (ProTx2) 的相互作用。ProTx2 是一種從秘魯綠絨蛛中分離出來的通道拮抗劑。研究人員解析了激活和失活狀態下的 Nav1.7 結構，為開發特異治療性的 Nav 拮抗劑提供了一個重要的起點。
冷凍電鏡清晰地展示了與 ProTx2 拮抗劑結合的激活態（藍色/紫紅色）和失活態（黑色）的 Nav1.7 離子通道之間的結構差異。圖片基于蛋白質數據庫 (PDB) 6N4R 和 6N4Q，采用 PyMOL創建。
上述研究成果表明，冷凍電鏡在解決長期疑難問題——膜結合蛋白的結構和功能方面上有著巨大潛力。現在有越來越多采用冷凍電鏡測定的離子通道結構出現在蛋白質數據庫中，這表明研究人員對于該技術的興趣和使用都在不斷增加。基于結構的藥物設計不僅僅是跟隨這一趨勢，更多地指引了這一趨勢，其新研究成果將為下一代治療方法提供參考。
來源：蛋白質數據庫（2020 年 9 月 10 日）