基于分子动力学模拟的秀丽隐杆线虫TAX-4环核苷酸门控离子通道结构与功能机制研究

本研究针对环核苷酸门控(CNG)离子通道在感觉神经元中的关键作用，通过全原子分子动力学模拟技术，首次对秀丽隐杆线虫TAX-4通道在cGMP结合与未结合状态下的构象变化进行微秒级动态分析。研究人员发现TAX-4存在不对称亚基运动特征，揭示了其"预开放"构象的分子基础，并通过疏水门控机制阐明了通道关闭过程中的脱水现象。该研究为理解CNG通道从配体结合到门控转变的分子机制提供了新见解，对相关视网膜疾病治疗策略开发具有重要指导意义。

　　

在神经信号传导和感觉感知过程中，环核苷酸门控(Cyclic nucleotide-gated, CNG)离子通道扮演着至关重要的角色。这些非选择性阳离子通道通过感知细胞内第二信使cGMP和cAMP的浓度变化，调控Ca²⁺等离子的跨膜流动，进而影响神经元兴奋性和感觉信号转导。然而，CNG通道从配体结合到通道开放的精确分子机制仍不完全清楚，这限制了我们对相关疾病如视网膜色素变性和色盲等的治疗策略开发。

针对这一科学问题，来自罗马生物医学大学校园校区等机构的研究团队Nicole Luchetti、Marco Lauricella等研究人员，以模式生物秀丽隐杆线虫的TAX-4通道为研究对象，开展了系统的分子动力学模拟研究。TAX-4是哺乳动物CNGA3通道的同源物，在化学感受和温度感知中发挥关键作用。研究团队利用最新解析的冷冻电镜结构，通过全原子分子动力学模拟技术，首次在微秒时间尺度上揭示了TAX-4通道在cGMP结合与未结合状态下的动态构象变化，相关成果发表在《European Biophysics Journal》。

研究采用了多项关键技术方法：基于冷冻电镜结构(PDB ID 6WEK)构建全原子模型；使用CHARMM-GUI搭建膜-水-离子体系；采用Amber19SB力场进行三组1μs的cGMP结合态和一组3μs的非结合态分子动力学模拟；通过PLUMED和HOLE程序分析通道结构特征和水合状态。

研究结果部分，"The cGMP-bound state"显示：

1. 结构稳定性分析表明TAX-4四聚体存在明显的亚基不对称性，B-D亚基对表现出更高的灵活性和较少的cGMP结合氢键。
2. 选择性滤器(Selectivity filter, SF)区域保持稳定开放状态，而中央空腔(Central cavity, CC)呈现"预开放"构象特征，其孔径介于实验测得的开放和关闭状态之间。
3. 通道水合分析发现SF区域持续存在三个Na⁺结合位点，与实验观察一致，证实模拟构象具有导电潜力。

"The cGMP-unbound state"部分揭示：

1. 去结合后约1μs内通道发生明显的构象转变，表现为回转半径减小和RMSD增加。
2. 中央空腔处的苯丙氨酸403(PHE403)和缬氨酸407(VAL407)发生内向旋转，形成典型的疏水门控(Hydrophobic gating)机制。
3. 通道水分子数量骤减约50个，特别是在PHE403-VAL407区域完全脱水，与实验观察的关闭状态特征相符。

"Binding-to gating transition in TAX-4"部分阐明了构象转变的分子基础：通过比较结合与非结合状态发现，A'螺旋的径向扩张(ALA419位移达5.0?)通过C-linker区域将构象变化传递至S6螺旋，最终导致中央空腔门控残基的构象重排。

该研究首次在原子尺度上揭示了TAX-4通道的不对称动力学特征和分步激活机制：cGMP结合诱导的构象变化首先形成"预开放"中间态，其特征是亚基不对称的中央空腔扩张和持续水合；而配体解离则触发疏水门控介导的快速脱水关闭过程。这些发现不仅完善了对CNG通道门控机制的理解，更重要的是为针对此类通道的靶向药物设计提供了关键结构基础，特别是为治疗由CNG通道功能障碍引起的视网膜疾病提供了新思路。研究揭示的亚基不对称性现象也为解释某些突变导致的显性负效应提供了潜在机制。