颜宁教授7月连发两篇《Science》，陆续报道重要成果

　　

清华大学颜宁研究组主要从事结构生物学研究，近期接连发表两项重要成果，分别报道了电压门控钠离子通道NavPaS与门控调节毒素Dc1a，以及在此基础上添加河鲀毒素（TTX）和贝类毒素（STX）的冷冻电镜结构，以及人类Ptch1及Ptch1与ShhN复合物的冷冻电镜结构。

第一项成果是颜宁研究组在清华大学成功解析了第一个真核钙离子通道结构、第一个真核钠离子通道结构、和第一个钠离子通道与调控亚基复合物结构之后针对离子通道研究的又一个重要突破，为从基础研究到转化应用打下了基础。

二十世纪中叶，随着对于神经系统动作电位的研究，科学家们发现河鲀毒素（tetrodotoxin, 简称TTX）的毒性就是因为高度特异性地阻断钠离子通道从而抑制了动作电位的产生，于是导致神经和肌肉麻痹。

除了河鲀毒素以外，还有一类结构相似的小分子神经毒素统称为贝类毒素（saxitoxin，简称STX），是毒性最强的海洋生物毒素，其中石房蛤毒素与钠离子通道的结合能力甚至高于河鲀毒素，是误食有毒贝类导致神经麻痹中毒的主因。

因为TTX和STX对钠离子通道超高的特异性抑制，自上个世纪70年代起，它们被用来作为分子探针鉴定钠离子通道。迄今人类9种钠离子通道亚型根据与TTX的结合能力分为TTX敏感型和非敏感型。

除了TTX和STX这种小分子阻断剂，大自然中还有五花八门的多肽毒素，比如蛇、蝎、蜈蚣、蜘蛛、蟾蜍（请参考《笑傲江湖》之五毒教）的毒液中就包含着长度、成分各异的成千上万种多肽毒素。动物们利用这些毒素来进行自卫或者捕猎。相当一部分多肽直接作用于电压门控钠离子通道，导致猎物麻痹或者被咬者的剧痛。这些多肽毒素一般并非直接阻碍离子通透，而是通过作用于这些通道的电压感受域来导致钠离子通道的异常激活（打开）或者失活（关闭），因此这些毒素被称为“门控调控毒素” （gating modifier toxin, GMT）。由于这些毒素的多样性和特异选择性，更适合对症下药，有望在理解它们与特定亚型的钠离子通道相互作用的基础上开发特异的副作用小的止痛剂或者杀虫剂，因此这些毒素与钠离子通道复合物的结构一直为学术界、制药业、和农业等领域关注。但是由于钠离子通道本身结构解析的难度，此类结构信息完全空白。

在最新研究中，研究人员分别解析了电压门控钠离子通道NavPaS与门控调节剂Dc1a、NavPaS与Dc1a加河鲀毒素（TTX）和NavPaS与Dc1a加石房蛤毒素（STX）的冷冻电镜结构，整体分辨率分别达到了2.8 , 2.6 和3.2 。在此基础上，研究人员仔细分析结构，详细阐述了电压门控钠离子通道与TTX、STX的作用机理和其受到门控调节剂Dc1a调控的机理。另外，研究人员还在结构中看到了一个结合在通道选择筛（selectivity filter）中的钠离子，结合此前的分子动力学模拟研究，文章提出了这类通道实现钠离子选择性的可能机制。 

值得一提的是，2.6是目前已知利用冷冻电镜技术解析膜蛋白结构的最高分辨率，可以清晰地看到结合的TTX、STX小分子以及钠离子。而如此高的分辨率仅仅是通过在清华大学强大的电镜平台收集的为期2天的数据获得的。这个结构解析再一次显示了冷冻电镜技术在未来进行药物筛选中的巨大潜力。

第二篇文章揭示了ShhN和Ptch1之间的详细认识。出乎意料的是，观察到两个类固醇分子，一个位于由ECD域包围的袋中，另一个位于SSD的面向膜的腔中。结构指导的突变分析显示ShhN和Ptch1之间的相互作用是类固醇依赖性的。 类固醇结合缺陷型Ptch1突变体的结构显示明显的构象重排。人类Ptch1及其与ShhN的复合物的结构为Hh信号启动的未来研究奠定了重要框架，并且提供了对含有SSD的蛋白质的功能机制的深入了解。

研究人员分别报告了人类Ptch1的和与ShhN复合物的整体分辨率分别为3.9Å和3.6Å的冷冻电镜结构。这些结构揭示了ShhN和Ptch1之间的详细认识。

出乎意料的是，观察到两个类固醇分子，一个位于由ECD域包围的袋中，另一个位于SSD的面向膜的腔中。结构指导的生物化学分析表明ShhN和Ptch1之间的相互作用是类固醇依赖的，观察结果证实了额外的结构证据。

原文标题：

Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins

Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1