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心脏电压门控钠通道 Nav1.5 对心脏功能至关重要，其功能异常与多种心律失常、心力衰竭等疾病相关。本文通过冷冻电镜（cryo-EM）解析开放态 Nav1.5 α 亚基结构，结合功能研究揭示 CTD 与 III-IV linker 互作调控门控机制，发现新的快速失活机制。
研究背景与意义
心脏电压门控钠通道 Nav1.5 是心脏兴奋和动作电位传导的核心分子，其编码基因 SCN5A 的突变与 Brugada 综合征（BrS）、长 QT 综合征 3 型（LQT3）等严重心律失常密切相关。尽管对 Nav1.5 的研究已有数十年，但胞内区域（如 N 末端结构域 NTD、C 末端结构域 CTD）的结构信息缺失，严重制约了对其门控机制及相关通道病的理解。解析 Nav1.5 的完整结构，尤其是胞内区域的动态互作，对阐明心脏电生理机制和开发靶向疗法具有关键意义。
开放态 Nav1.5 的整体结构特征
研究利用冷冻电镜（cryo-EM）技术，首次解析了人源全长 Nav1.5 在开放态的两种高分辨率结构（Model-I 和 Model-II，分辨率分别为～3.6 ? 和～3.9 ?）。结构显示，Nav1.5 α 亚基呈假四聚体结构，由四个同源结构域（DI-DIV）组成，每个结构域包含电压传感结构域（VSD，S1-S4）和孔道结构域（PD，S5-S6）。胞内的 NTD 和 CTD 通过柔性连接子与跨膜核心相连，其中 CTD 通过柔性 linker 与 DIV的 S6 螺旋连接，其位置相对于跨膜核心呈现动态变化。
与已报道的中间失活态结构（如 PDB ID:7DTC）相比，开放态结构的跨膜核心呈现明显的侧向扩张（~5-6 ?），孔道结构域（PD）扩张更为显著，S6 螺旋向外移动，形成更大的离子传导路径。电压传感结构域（VSDs）中，S4 段的门控电荷（GCs）呈现分级激活模式：DI和 DIII的 VSD 完全激活，而 DII和 DIV的 VSD 处于部分激活状态，提示门控电荷的激活具有时序性，与快速失活过程耦合。
III-IV 连接子与 CTD 的动态互作
III-IV 连接子中的 IFM 基序（Ile-Phe-Met）是快速失活的关键元件。在开放态结构中，IFM 基序未完全脱离其受体结合口袋，而是发生重定位，通过疏水相互作用与受体口袋中的保守残基（如 F1473、N1765）维持弱结合。连接子的 S0IV螺旋向外倾斜，导致柔性环区移位，这种构象变化通过别构效应传递至 S6 螺旋，影响孔道开放。
CTD 的 EF-hand 结构域与 III-IV 连接子的柔性环区（K1504、K1505）形成静电相互作用：CTD 的 E1788 和 E1867 分别与 K1505、K1504 结合，稳定连接子的构象。电生理实验表明，破坏这些相互作用（如 K1504E、K1505E 或 E1788K、E1867K 突变）会显著改变 Nav1.5 的快速失活动力学，表现为失活加快或稳态失活曲线超极化偏移，提示 CTD 与 III-IV 连接子的动态互作是调控失活过程的核心机制。
快速失活机制的新见解
传统 “门楔模型” 认为，快速失活依赖于 IFM 基序完全嵌入受体口袋并阻断孔道。然而，开放态结构显示，IFM 基序仅部分重定位，未完全脱离受体，表明 Nav1.5 存在一种 “预失活” 构象。结合电压传感结构域的分级激活，研究提出快速失活的时序模型：在去极化过程中，DI和 DIII的 VSD 优先激活，驱动孔道开放；随后 DII和 DIV的 VSD 激活，伴随 III-IV 连接子与 CTD 的互作减弱，IFM 基序逐步嵌入受体口袋，最终导致孔道关闭。
分子动力学（MD）模拟显示，在高跨膜电压（> +350 mV 或 < -350 mV）下，激活门的疏水环区（如 L409、I1466）发生构象调整，允许钠离子通过；而在低电压下，激活门脱水，形成离子通透屏障。这一结果解释了电压依赖性激活与失活的机电耦合机制。
疾病相关突变的结构映射
研究将 BrS 和 LQT3 相关突变映射到 Nav1.5 结构上，发现突变热点集中在 III-IV 连接子（如 K1505、P1506）和 CTD（如 E1867）。例如，R1512W 突变通过增强与 F1522 的 π- 阳离子相互作用，限制 S0IV螺旋的灵活性，导致失活动力学异常；E1867K 突变则通过破坏 CTD 与 III-IV 连接子的静电互作，增加持续性钠电流，诱发心律失常。这些发现为理解突变致通道病的分子机制提供了直接结构证据。
结论与展望
本研究通过冷冻电镜解析了 Nav1.5 开放态的全长结构，揭示了 CTD 与 III-IV 连接子互作调控门控的新机制，修正了传统快速失活模型，并为心律失常的靶向药物开发提供了关键靶点（如 CTD-EF-hand 结构域、III-IV 连接子的互作界面）。未来研究可进一步探索 Nav1.5 与辅助亚基、脂质分子的互作，以及病理突变对通道动态构象的影响，为心脏通道病的精准治疗奠定基础。
