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研究解析溶酶体钙离子通道TRPML3在三种不同状态下的高分辨率三维结构

来源:昆明动物所 2018-01-29 09:19

 

近日,中国科学院昆明动物研究所离子通道药物研发中心、美国哥伦比亚大学和清华大学合作完成的最新研究成果,以Cryo-EM structures of the human endolysosomal TRPML3 channel in three distinct states为题,发表在Nature Structural & Molecular Biology上。研究人员通过使用单颗粒冷冻电子显微镜技术,解析人源性溶酶体钙离子通道TRPML3在关闭状态、激动剂引发的开放状态及酸性pH抑制状态下的高分辨率全长结构,揭示了前所未有的结构特征,为研究该通道的激活及调控机制和生理功能提供了全新的结构基础。

胞吞途径对胞内信号传导及细胞生理反应具有重要作用。内涵体及溶酶体中存在的多种离子通道对胞吞途径具有调控作用,其中主要分布于溶酶体及内涵体中的TRPML1和TRPML3离子通道对细胞膜转运、细胞自噬、胞吐作用及维持离子平衡至关重要。研究发现,瞬时受体电位通道成员TRPML1是MLIV的遗传致病决定性因素,多达20余种TRPML1基因突变可导致MLIV。此外,小鼠中的两个自发性功能增强型TRPML3突变体(A419P及I362T)能够导致听觉丧失及毛色弱化的生理表型,这些研究表明TRPML1与TRPML3通道在细胞生理过程中发挥重要作用。在正常细胞生理条件下,TRPML3通道能够受到多种因素调控:PI(3,5)P2激活TRPML3通道,TRPML3通道活性能够分别被酸性pH、Na+及PI(4,5)P2抑制。多种合成小分子如ML-SA1能特异性激活TRPML通道,而这些激动剂对TRPML通道生理功能研究颇为重要。

为了更深入了解TRPML通道功能及调控的分子机制,通过使用单颗粒冷冻电子显微镜(cryo-EM),研究人员成功解析了全长人源性TRPML3离子通道在关闭状态、激动剂结合导致的开放状态及低pH抑制状态下的高分辨率(分别为4.06、3.62及4.65 ?)结构。三维结构显示激动剂ML-SA1结合于跨膜结构域S5与S6之间并诱导打开S6的门控组件。结构显示多个独特的结构特点:多囊蛋白-粘脂蛋白结构域(polycystin-mucolipin domain, PMD)构成细胞器内腔帽子(luminal cap)结构,S1跨膜a螺旋段延伸至该帽子结构,与一个a螺旋段连为一体,构成“门控杆”(gating rod),直接与腔孔环(luminal pore loop)连接,而此腔孔环在酸性pH条件下发生剧烈的构象变化;跨膜a螺旋段S2延伸至胞内侧并与多个胞内侧结构区相互作用,构成“门控把手”(gating knob)。结合电生理实验结果,这些独特的结构特征提示了新的通道调控机制,即腔内低pH及其它生理调控因子(如PIP2),通过导致S1及S2的构象变化,对TRPML3通道功能进行调节。该工作揭示了TRPML3通道全新的结构特点及通道激活与调控中发生的构象变化,为进一步研究TRPML3通道调控机制提供了结构基础,为解致病突变导致通道功能异常的原因提供了线索。

研究工作得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金面上项目、云南省科技厅海外高端人才、云南省高层次人才项目、青年千人计划及美国国立卫生研究院等的支持。(生物谷Bioon.com)

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