紫花苜蓿钙通道MtCNGC15的结构基础与活性调控机制解析

本研究解析了紫花苜蓿核膜定位钙通道MtCNGC15的冷冻电镜结构，揭示其通过精氨酸残基（Arg553）占据cNMP结合口袋的独特调控模式，阐明了钙调蛋白（CaM）通过稳定胞质域构象负调控通道活性的分子机制。该发现为植物共生过程中核钙振荡（Ca2+ oscillation）的精确调控提供了结构基础，发表于《Cell Discovery》。

　　

在植物与微生物的共生过程中，核钙振荡（Ca²⁺ oscillation）是关键的信号传导事件。紫花苜蓿（Medicago truncatula）的核膜定位钙通道CNGC15a/b/c（MtCNGC15）被报道参与这一过程，但其结构基础与调控机制长期未明。传统观点认为植物环核苷酸门控通道（CNGCs）可能像动物同源蛋白一样受cNMP调控，然而这一假设缺乏直接证据。此外，尽管已知钙调蛋白（CaM）能负调控MtCNGC15活性，但二者互作的分子细节仍是未解之谜。

中国农业大学的研究团队通过冷冻电镜技术解析了MtCNGC15b的apo状态及与CaM复合物的结构，发现其胞质域（CPD）具有高度动态性，而CaM结合能稳定该区域并关闭通道。令人意外的是，该通道不依赖cGMP激活——其假定的cNMP结合口袋被精氨酸残基（Arg553）占据，这一发现颠覆了植物CNGCs的调控认知。相关成果发表于《Cell Discovery》。

关键技术方法包括：（1）哺乳动物细胞表达系统制备MtCNGC15b及MtCNGC15b-CaM融合蛋白；（2）冷冻电镜解析3.1 ?（apo）和3.6 ?（CaM复合物）分辨率结构；（3）非洲爪蟾卵母细胞双电极电压钳（TEVC）记录Ca²⁺电流；（4）分子动力学模拟分析CaM结合引起的构象变化；（5）表面等离子共振（SPR）验证cGMP结合特性。

结构特征与离子选择性
MtCNGC15b的跨膜区包含电压感受域（VSD）和孔道域（PD），其选择性滤器（SF）中Gln347决定Ca²⁺特异性。突变实验显示Gln347→Glu使通道丧失Ca²⁺选择性（P_Ca/P_Na从1.03降至0.16），证实该位点的关键作用。

独特的二硫键网络
核膜腔侧的三对二硫键（Cys99/Cys281、Cys262/Cys302、Cys267/Cys274）连接VSD与PD，其中Cys99-Cys281突变使电流完全消失，表明其对于机械耦合至关重要。

CaM的负调控机制
CaM结合使CPD构象稳定并关闭通道门控。分子动力学显示CaM诱导Glu533质子化，破坏其与Arg553的相互作用，增加残基溶剂可及性（SASA），从而调控通道活性。

非经典的cNMP调控
与动物CNG通道不同，MtCNGC15b的CNBD中Arg553占据cGMP结合位点。突变实验证实Arg553侧链大小（而非极性）决定通道功能，R553A几乎完全 abolishes电流。

该研究首次揭示植物CNGCs通过"内置配体"（Arg553）替代cNMP调控的新范式，阐明了核膜定位通道MtCNGC15在共生信号中的精确调控机制。结构指导的突变分析为设计调控核钙振荡的遗传工具提供了靶点，其独特的二硫键网络和CaM依赖的门控特性为开发新型植物抗逆策略开辟了道路。这些发现更新了对植物离子通道进化与功能多样性的认知，为研究核膜信号转导提供了分子框架。