人源TRPC1/C5异源四聚体通道的分子结构解析及其功能意义

《Nature Communications》：Molecular architecture of the human TRPC1/C5 heteromeric channel

本研究针对TRP通道异源组装机制不清的问题，解析了人源TRPC1/C5异四聚体冷冻电镜结构，揭示其不对称离子通路特征，并通过激动剂结合结构为靶向治疗焦虑抑郁提供了新思路。

　　

在生命活动的精密交响中，离子通道如同细胞膜上的分子闸门，精准调控着离子的跨膜流动。瞬时受体电位（Transient Receptor Potential, TRP）通道家族是一类重要的阳离子通道，它们通过不同亚基的异源组装形成功能多样的异聚体，极大地丰富了细胞的信号转导能力。其中，经典TRP（Canonical TRP, TRPC）亚家族的TRPC5通道，尤其因其与TRPC1形成的异聚体在神经系统中的重要作用而备受关注。TRPC1/C5异聚体已成为治疗焦虑症和抑郁症的有潜力的药物靶点。然而，由于缺乏高分辨度的三维结构信息，科学家们对其组装模式、门控机制以及特异性药物作用的分子基础知之甚少，这严重制约了针对该靶点的精准药物开发。

为了揭开TRPC1/C5异聚通道的神秘面纱，研究人员在《Nature Communications》上发表了最新成果。他们利用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术，成功解析了人源TRPC1/C5异源四聚体通道的高分辨率结构。该结构揭示，异聚体由1个TRPC1亚基和3个TRPC5亚基以独特的1:3化学计量比组装而成。这种非对称的组装方式打破了TRPC5同源四聚体固有的C₄对称性，从而塑造了一个独特的离子传导通路。该通路最显著的特征是其不对称的构造：一方面，其选择性滤器（Selectivity Filter）呈现不对称的收缩状态；另一方面，其胞质侧的底部门控（lower gate）也表现出不对称性。这种结构上的不对称性很可能决定了其独特的离子选择性和门控特性。

研究人员进一步将TRPC1/C5的结构与已报道的TRPC1/C4异聚体结构进行了比对，发现两者在多个关键区域存在显著差异。例如，TRPC1/C5异聚体中的卷曲螺旋结构域（coiled-coil domain）呈现出非典型的倾斜角度，并且亚基之间的相互作用界面也明显不同。这些差异可能是导致TRPC1/C5与TRPC1/C4功能特异性的结构基础。此外，研究团队还解析了TRPC1/4/5特异性激动剂(-)-Englerin A（EA）与人源TRPC5同源四聚体结合的结构。通过分析EA与TRPC5的相互作用模式，揭示了该激动剂结合口袋的精确位置和结合细节，为理解其激活机制和设计更特异的调节剂提供了宝贵的结构蓝图。

这项研究首次在原子水平上描绘了人源TRPC1/C5异源通道的精细结构，阐明了其独特的非对称组装模式和对离子通路结构的影响。通过与同源四聚体及其他异源四聚体的比较，揭示了异源组装带来的功能多样性的结构基础。对激动剂结合结构的解析则为靶向TRPC1/C5的药物设计开辟了新的道路。这些发现不仅深化了我们对TRP通道异源组装规律和功能调控的理解，也为开发治疗焦虑、抑郁等神经系统疾病的新型疗法奠定了坚实的理论基础。

关键技术与方法

本研究主要依托单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术解析蛋白质三维结构。研究人员通过将人源TRPC1和TRPC5基因共表达于哺乳动物细胞系统（如HEK293细胞）中，获得TRPC1/C5异源复合物。通过膜蛋白提取、纯化后，将样品速冻并在冷冻电镜下采集数据，经过二维分类、三维重构等步骤，最终获得高分辨率结构。此外，研究还运用了分子动力学模拟分析通道门的动态行为，并通过与TRPC5同源四聚体以及TRPC1/C4异源四聚体结构的比较，揭示其特异性。激动剂(-)-Englerin A（EA）与TRPC5结合的结构也采用类似方法解析。

结构解析与整体架构

通过冷冻电镜分析，研究人员成功解析了人源TRPC1/C5异源四聚体的结构。结果显示，该通道由一个TRPC1亚基和三个TRPC5亚基以1:3的化学计量比组装而成。这种非典型的化学计量比打破了TRPC5同源四聚体所具有的C₄对称性，导致了整个通道结构的显著不对称性。跨膜区（Transmembrane Domain, TMD）的排布以及胞质侧的多个结构域都因此发生了重排。

独特的离子传导通路

结构分析表明，TRPC1亚基的掺入深刻改变了中心离子传导孔道的结构。最突出的特征体现在两个关键区域：位于孔道外侧的选择性滤器（Selectivity Filter）和位于孔道胞质侧的底部门控（lower gate）。与对称的同源四聚体不同，TRPC1/C5的选择性滤器呈现出不对称的收缩构象。同时，由特定跨膜螺旋上的氨基酸残基所构成的底部门控也表现出明显的结构不对称性。这些不对称性很可能直接影响通道对离子的选择性和门控特性。

与TRPC1/C4异聚体的结构比较

将TRPC1/C5的结构与已报道的TRPC1/C4异源四聚体结构进行对比，揭示了二者之间的显著差异。这些差异不仅体现在跨膜区的细节上，更突出地表现在胞质侧的卷曲螺旋结构域（Coiled-Coil Domain, CCD）。TRPC1/C5中的CCD呈现出一种非典型的倾斜角度。此外，亚基之间的相互作用界面，特别是在TRPC1-TRPC5界面，也与TRPC1-C4界面存在明显不同。这些结构差异可能是TRPC1/C5和TRPC1/C4具有不同生理功能和调节特性的分子基础。

(-)-Englerin A与TRPC5的相互作用机制

为了探究TRPC1/4/5亚家族特异性激动剂的作用机制，研究人员还解析了(-)-Englerin A（EA）与TRPC5同源四聚体结合的结构。结构显示，EA分子结合在相邻TRPC5亚基的跨膜结构域之间，一个被称为“脂质结合口袋”的区域。结合位点主要由跨膜螺旋S5、S6以及S4-S5连接螺旋上的氨基酸残基构成。EA的结合可能通过变构效应稳定通道的开放构象，从而发挥激动剂作用。这一结构为设计靶向TRPC1/C5相关疾病的特异性药物提供了精确的模板。

结论与展望

本研究通过高分辨率冷冻电镜结构解析，首次揭示了人源TRPC1/C5异源四聚体离子通道的非对称分子架构。研究结果表明，TRPC1亚基的掺入打破了同源四聚体的对称性，导致了一个具有不对称选择性滤器和底部门控的独特离子传导通路的形成。与TRPC1/C4结构的比较突出了异源组装带来的结构多样性。对激动剂EA结合位点的阐明则为靶向该通道的药物设计提供了关键见解。这些发现极大地增进了我们对TRP通道异源组装规律和功能实现机制的理解，为针对TRPC1/C5这一重要治疗靶点（尤其在焦虑、抑郁等精神神经系统疾病领域）的未来药物研发奠定了坚实的结构生物学基础，标志着在探索异聚性离子通道功能多样性道路上迈出了关键一步。