RyR1通道结构与门控机制研究最新进展

RyRs家族备受关注，但早期由于体型大且复杂，分析起来并不容易。这两年随着技术的突破，RyRs通道研究获得了突飞猛进的进展，也成为各大顶级杂志青睐的焦点。近期Cell Research就接连发表两篇文章，介绍了这一领域的重要进展。

　　

生物通报道：兰尼碱受体RyRs是目前已知的最大离子通道蛋白。在哺乳动物中有三种RyR蛋白，序列相似性约70%，其中RyR1主要分布在骨骼肌细胞中，RyR2主要分布在心肌细胞中，RyR3则最早在脑细胞中发现。

大量文献报道统计表明，目前已有超过500种RyR突变体与疾病有关，比如肌中央轴空病（central core disease, CCD）、恶性高热易感症（malignant hyperthermia susceptibility, MHS），还有心脏病，哮喘等。因此RyRs家族备受关注，然而对于如此大型（RyR1相对分子质量＞2200000），又复杂（RyR1四个相同的长度超过5000个氨基酸残基的三角形单体聚合形成）的离子通道来说，分析起来并不容易，因此自上个世纪70年代科学家发现这个蛋白以来，仅有个别小片段的晶体结构被发现。

重要结构研究进展

2010年，美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员利用斯坦福同步辐射光源（SSRL）的X-射线确定了RyR的一个关键热区的详细结构，这是第一次了解这一受体热区的详细信息。此前低分辨的图像只能模糊的分析突变集中区域。

2015年，Nature杂志同期发布了三篇关于RyR1高分辨率电子显微镜结构的研究成果，其中Efremov等人以8.5 Å分辨率报告了兔源RyR1在Ca2+ 存在时部分开启状态下的结构，同时以6.1 Å分辨率报告了RyR1在Ca2+ 不存在时在闭合状态下的结构；Zalk等人以4.8 Å分辨率报告了兔源RyR1在Ca2+ 不存在时在闭合状态下的结构。

清华大学生科院的研究人员也通过新的蛋白纯化策略，利用单颗粒冷冻电镜方法，成功解析了兔源RyR1蛋白与其抑制蛋白FKBP12复合物，总体分辨率达到了3.8Å的三维结构。

RyR1跨膜粒子通道区的三维结构模型（图片来自Nature论文）
 

自此，RyRs的研究越来越受到关注，也成为各大顶级杂志青睐的焦点。近期Cell Research就接连发表两篇文章，介绍了这一领域的重要进展，另外据悉Cell杂志也接收了相关内容的文章，将于下半年公布。

最新研究进展

今年8月，Cell Research杂志同期发表两项重要成果，报道了RyR1长程变构门控通道机制的最新研究发现：来自北京大学基础医学院生物物理学系的尹长城教授等人获得了钙离子激活的RyR1开放态总体分辨率达到4.9 Å，核心区域分辨率达到4.2 Å的结构，从中揭示了RyR1通道钙离子长程变构激活的新机制；清华大学生科院的颜宁教授等人则采用冷冻电子显微镜获得了分辨率在3.8–4.2Å之间、处于三种闭合构象的兔RyR1结构，以及分辨率为5.7 Å的开放状态的RyR1结构。

其中尹长城教授等人的这项研究成果被选为封面文章，对RyR1研究领域具有重要贡献：

第一，这项研究阐明了钙离子如何通过长程变构激活RyR1通道，这一机制揭示了为什么不同配基可在不同结合位点调节RyR1通道；

第二，研究发现了RyR1的通道门控机制，RyR1既可通过跨膜区的“类电压敏感结构域”（voltage-sensor like domain, VSL)控制通道门控，亦可通过C-末端结构域（C-terminal domain， CTD）控制通道门控，这一机制揭示了为什么RyR1胞浆结构域特别是CTD可控制门控；

第三，研究发现了RyR1的离子选择性机制。与钾离子通道和钠离子通道不同，RyR1不是通过选择性滤器（selectivity filter）上的氨基酸和离子配位来选择离子，而是通过选择性滤器中带负电的氨基酸产生的电场来选择离子，并且选择性滤器大小可变。这一机制揭示了为什么RyR1不仅是一个钙离子通道，而且是一个广谱的阳离子通道。

尹长城教授的这项成果原本也投向了Cell杂志，但为了更早公布研究发现，他们选择在Cell Research上报道这一重要发现。

RyR1结构及具体钙离子诱导作用

RyR1结构示意图（图片来自Nature论文）

兔源RyR1每个单体包含5037个氨基酸，其中3000多个氨基酸的原子坐标获得解析。RyR1的结构整体呈现四次对称的金字塔形状。其跨膜区具有类似于电压门控离子通道的折叠特点，但还有额外的结构域以实现对通道开闭状态的调控。

其中，离子传导通道由S6片段和S5-S6之间延伸的P-肽段组成，这一肽段富含带负电荷的酸性氨基酸，结构上与NaV，KV以及TRPV1等电压门控离子通道的选择性滤器相类似，比如肌浆网腔内部发夹环和沿S6片段分布的P-螺旋两部分。S6向胞质区延伸的部分富含Asp/Glu残基，这种由疏水性孔道和富含酸性氨基酸残基组成的胞质前庭区结构有利于Ca 2+的快速释放。

研究发现，Ca 2+诱导RyR1构象的最大变化之一是周边区域的“聚集”运动，在Ca 2+诱导下，“钳制” 区和“把手” 区外缘产生约5 Å的向下旋转运动，引起中心区产生旋转并导致S4-S5连接螺旋、VSC以及CTD的变化，u -模体发生位移，进一步带动S6孔道螺旋旋转，从而导致RyR1孔道产生扩张而开放。（此部分内容来自第二军医大学学报）

（生物通：张迪）

参考文献：

顾嘉伟,邓宇晨,徐拯,肖良.兰尼碱受体1结构及其通道门控机制的研究进展[J].第二军医大学学报,2016,37(7):873-878

Structural insights into Ca2+-activated long-range allosteric channel gating of RyR1,Volume 26, No 7, Jul 2016

The Central domain of RyR1 is the transducer for long-range allosteric gating of channel opening ,Volume 26, No 7, Jul 2016