间隙连接蛋白的分子语法：基于计算结构生物学的跨家族比较分析

本综述通过计算结构生物学方法系统解析了间隙连接蛋白（connexin/innexin/pannexin）的进化与功能共性。研究通过结构引导的序列比对、蛋白互作热点预测及构象分析，揭示了跨家族保守的分子设计原则（如四螺旋束拓扑、胞外环刚性需求），为靶向调控细胞间通讯提供了新视角。

　　

Section snippets

Curation of a sequence and structure library for gap junction proteins

我们通过UniProtKB数据库检索并筛选了三大间隙连接蛋白家族（innexins、connexins和pannexins）的注释条目，下载了所有标准蛋白序列（FASTA格式）。针对每个UniProt ID，我们使用RCSB PDB高级搜索功能获取其对应的所有PDB条目及生物组装坐标文件。为确保结构数据的完整性，仅保留解析出全部四个跨膜螺旋（TM1-TM4）的结构用于后续分析。

A curated structural dataset of gap junction proteins supports cross-family comparison

三大家族的部分成员晶体结构已存入PDB数据库，这些结构包括半通道复合体和完整通道结构。值得注意的是，innexin家族形成八聚体半通道，pannexin为七聚体，而connexin通常形成六聚体——但近期hCX40.1结构（PDB ID 8GN7）报道了五聚体形式，其生物学证据尚待进一步验证。本研究亦纳入该结构以扩展比较维度。

Discussion

间隙连接介导的细胞间通讯对多细胞生命至关重要，它直接实现了离子、代谢物和信号分子的胞质交换。然而，形成间隙连接的innexin（及其脊椎动物同源物pannexin）和connexin蛋白家族虽进化出相似的四跨膜螺旋拓扑和胞外环结构，却几乎无序列相似性。为揭示其共同功能背后的通用原则，我们通过结构引导的比对和构象分析，发现了跨家族保守的分子特征：TM1和TM2的暴露残基更保守（尤其在connexin和pannexin中），pannexin胞外发夹环的构象灵活性高于connexin（提示刚性可能是通道对接的前提），以及位置保守的界面互作热点。这些发现揭示了自然演化如何通过不同序列实现相同的功能结构方案。

Conclusion

总之，我们通过整合性结构比较揭示了间隙连接通道设计的统一分子语法：保守的四螺旋支架、跨膜螺旋保守模式、胞外对接元件的构象可变性，以及协调单体折叠、半通道组装和细胞间对接的特异性能量热点。通过结构比对与进化保守性分析、蛋白块（protein-block）构象量化及界面热点预测，我们证明了尽管序列差异显著，功能关键位点在结构空间中是共通的。这些见解为理解细胞间通讯的分子基础提供了新范式，并有助于针对特定通道家族设计调控策略。

CRediT authorship contribution statement

Ramanathan Sowdhamini： 撰写-审阅编辑、 Supervision、 Resources、 Project administration、 Funding acquisition、 Conceptualization。

Aditi Pathak： 撰写-初稿、 Visualization、 Methodology、 Formal analysis、 Data curation

Uncited reference

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Disclosure

所有作者均已审阅并通过最终稿件。

Funding

作者感谢NCBS（TIFR）提供基础设施支持。R. Sowdhamini感谢印度科学与工程研究委员会（SERB）的JC Bose基金（JBR/2021/000006）及印度生物技术部（DBT）资助的生物信息学中心项目（BT/PR40187/BTIS/137/9/2021），同时感谢Mazumdar-Shaw讲席教授基金的支持。

Declaration of Competing Interest

作者声明无利益冲突。