2021年9月13日，中国科学院物理研究所软物质实验室姜道华特聘研究员与美国华盛顿大学William A. Catterall教授、郑宁教授合作，在 Cell 期刊在线发表了题为：Open State Structure and Pore Gating Mechanism of the Cardiac Sodium Channel（心脏中钠离子通道的开放态结构和门控机制）的研究论文。
该研究解析了钠通道突变体NaV1.5/QQQ处于开放状态的冷冻电镜结构，揭示了抗心律不齐药物普罗帕酮（Propafenone）与开放状态钠通道的结合位点。结合分子动力学模拟和膜片钳电生理等手段，从原子水平上阐明了钠通道开放状态、钠通道开放状态的药物阻断以及钠通道快速失活的分子机制。
在可兴奋细胞中，电压门控钠离子通道（Voltage-gated sodium channel, NaV1.1-1.9）负责产生和传播动作电位，参与许多生理进程，如神经信号传递、骨骼肌和心肌收缩、痛觉感知等。
其中NaV1.5作为心脏中最主要的钠离子通道，负责启动和维持心脏有节律地跳动。NaV1.5发生突变或功能异常会引起心律不齐，威胁人类生命健康。因此，NaV1.5是临床上一类常用的抗心律不齐药物（Class I Anti-arrhythmic Drug）的直接靶点。
鉴于NaV1.5在维持心脏有节律跳动中发挥了极其重要的作用，阐明NaV1.5的结构与功能的关系具有重大意义。过去几年，研究人员陆续报道了高等生物NaV1.1、NaV1.2、NaV1.4、NaV1.5和NaV1.7处于失活态的高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）三维结构，然而，在钠通道发挥功能过程中的静息态和开放态的结构依然未知。
单通道电生理结果表明，真核钠离子通道开放是一种非常短暂的瞬时状态，通常不超过100微秒。如何将真核钠通道稳定在开放状态并解析其结构非常具有挑战性。
2020年初，美国华盛顿大学博士后姜道华（现为中国科学院物理研究所软物质实验室特聘研究员），与William A. Catterall教授和郑宁教授在 Cell 发表了题为：Structure of the cardiac sodium channel 的论文，首次报道了心肌细胞钠通道NaV1.5的结构，展示了临床药物分子与钠通道的相互作用。
2021年1月，该团队在 Nature Communications 期刊发表了题为：Structural basis for voltage-sensor trapping of the cardiac sodium channel by a deathstalker scorpion toxin 论文。该研究报道了NaV1.5结合蝎毒素LqhIII复合物结构，揭示了蝎毒素LqhIII的结合会把NaV1.5的第四个电压感应结构域稳定在一种中间态，从而弱化了IFM motif的结合导致钠通道更倾向于打开。
在本项研究中，作者首先将突变IFM/QQQ引入NaV1.5，发现该突变能有效阻断钠通道的快速失活，所获得的突变体NaV1.5/QQQ在被激活后能长时间保持开放状态。为了克服NaV1.5/QQQ突变体在表达时因为持续激活导致的细胞毒性，作者筛选发现普罗帕酮可以有效缓解细胞毒性。随后利用冷冻电镜解析了高分辨率开放态钠通道的结构，从原子水平上揭示了钠通道快速打开、快速失活和开放态阻断的结构基础。
与此前报道的NaV1.5c结构相比，在NaV1.5/QQQ结构中，由于亲水性的QQQ脱离原本容纳疏水IFM的疏水性结合口袋，导致胞内侧的激活门孔扩大。通过对比水合钠离子的大小，作者推测该门孔的直径足以让水合钠离子自由通过，从而断定该结构处于开放状态（如下图所示）。
为了进一步验证所获得的NaV1.5/QQQ结构处于开放状态的假设，作者对NaV1.5、NaV1.5/LqhIII和NaV1.5/QQQ的结构进行了分子动力学模拟。发现NaV1.5/QQQ的激活门与NaV1.5、NaV1.5/LqhIII的不同，有一半以上的概率会处于充满水的状态，呈现出与此前报道的开放状态的原核钠通道NaVAb/1-226相似的双峰分布。更重要的是，通过分子动力学模拟计算出的开放状态NaV1.5/QQQ通透钠离子的传输速率与电生理单通道实验值相近。分子动力学模拟结果支持NaV1.5/QQQ结构处于开放状态。
类似于局部麻醉药物，抗心律不齐药物被认证为作为阻断剂结合在钠通道的中央腔中。作者发现，普罗帕酮可以穿过开放状态下NaV1.5的激活开口，到达中央腔的高亲和力结合位点，特异性地阻断NaV1.5。电生理结果表明，在有普罗帕酮的情况下，NaV1.5/QQQ激活后先达到最大电流，然后电流被抑制，说明普罗帕酮倾向于结合开放状态的钠通道。这些结果证实了普罗帕酮是一种开放状态的阻断剂。
综上所述，作者通过解析心肌细胞钠离子通道突变体NaV1.5/QQQ开放状态以及其与抗心律不齐药物普罗帕酮复合物结构，阐释了钠离子通道开放状态和快速失活的机制，为理解抗心律不齐药物如何阻断开放状态的NaV1.5以及开发新的抗心律不齐药物提供了结构基础。
姜道华特聘研究员为该论文的第一作者和共同通讯作者，William A. Catterall教授、郑宁教授为共同通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.021
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com