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iNature

Ca_v1.2通道在各種神經(jīng)元和生理過程中發(fā)揮重要作用。

2023年11月15日，顏寧教授聯(lián)合武漢大學(xué)藥學(xué)院高帥教授、北京大學(xué)宋晨研究員在Cell?在線發(fā)表題為“Structural basis for human Cav1.2 inhibition by multiple drugs and the neurotoxin calciseptine”的研究論文，該研究展示了人類Ca_v1.2的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，既包括載脂蛋白形式，也包括與幾種藥物以及肽神經(jīng)毒素Calciseptin的復(fù)合物。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)，載子或結(jié)合鈣西普汀，氨氯地平，或胺碘酮和索非布韋的組合，表現(xiàn)出一致的失活構(gòu)象，具有密封門，三個上電壓感應(yīng)域(VSDs)和一個下電壓感應(yīng)域(VSDII)。Calciseptin位于孔域的肩部，遠(yuǎn)離滲透路徑。相反，當(dāng)將抗痙攣藥物溴化匹維銨(pinaverium bromide)插入類似于Na_v通道中IFM結(jié)合位點的空腔時，會發(fā)生一系列結(jié)構(gòu)變化，包括在重復(fù)III中VSDII向上移動，同時選擇性濾過器及其周圍片段擴(kuò)張。同時，S4-5III與S5III合并成為單螺旋，形成一個加寬但仍不導(dǎo)電的胞內(nèi)門。

另外，2022年11月22日，普林斯頓大學(xué)顏寧與高帥在Cell?雜志在線發(fā)表題為“Structural basis for the severe adverse interaction of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cav channels”的研究論文,該研究對胺碘酮或sofosbuvir單獨(dú)處理或sofosbuvir/MNI-1與胺碘酮聯(lián)合處理的Ca_v1.1和Ca_v1.3進(jìn)行了系統(tǒng)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析。發(fā)現(xiàn)胺碘酮單獨(dú)占據(jù)二氫吡啶的結(jié)合位點，而sofosbuvir單獨(dú)使用時不在通道中。在胺碘酮存在的情況下，sofosbuvir/MNI-1通過與胺碘酮的特異性相互作用錨定在孔域的中央空腔中，直接阻斷離子滲透路徑。總之，這項研究揭示了兩種藥物在Ca_v通道支架上的物理、藥效學(xué)相互作用的分子基礎(chǔ)（）。

電壓門控鈣通道Ca_v1.2是腦、心臟和平滑肌中l(wèi)型鈣通道(LTCCs)的主要亞型，由于其廣泛的組織分布和可變剪接變體的存在，在所有LTCCs (Ca_v1.1-Ca_v1.4)中發(fā)揮著最廣泛的作用。Ca_v1.2通道對許多生理和神經(jīng)元活動至關(guān)重要，如心臟和平滑肌收縮，以及學(xué)習(xí)和記憶。Ca_v1.2的功能獲得突變與Timothy綜合征有關(guān)，Timothy綜合征是一種罕見的常染色體顯性遺傳病，以心肌病、心律失常、蹼狀指和自閉癥譜系障礙為特征。

Ca_v1.2通道復(fù)合體包括一個核心α1亞基(由CACNA1C編碼并負(fù)責(zé)電壓依賴性Ca²⁺滲透)、一個細(xì)胞外α2δ亞基和一個細(xì)胞內(nèi)β亞基。兔Ca_v1.1和人Ca_v1.3的冷凍電鏡(CryoEM)研究揭示了LTCCs的共同結(jié)構(gòu)。所有α1亞基共享一個典型的重復(fù)電壓門控離子通道(VGIC)折疊，每個重復(fù)包含6個跨膜片段S1-S6。在每個重復(fù)序列中，S1-S4構(gòu)成側(cè)翼電壓感應(yīng)域(VSD)，而所有四個重復(fù)序列中的S5和S6構(gòu)成中央孔域(PD)。簡而言之，位于PD細(xì)胞外側(cè)的選擇性過濾器(SF)控制離子選擇性，而S6四螺旋束聚集在膜的細(xì)胞內(nèi)邊緣控制門控。膜去極化觸發(fā)與門打開耦合的VSD向上運(yùn)動，這是一個被稱為激活的瞬時過程，隨后是通道失活。LTCCs可能經(jīng)歷電壓依賴性失活(VDI)和/或鈣依賴性失活(CDI)。通道功能和調(diào)控的機(jī)械解剖需要不同狀態(tài)的高分辨率快照。

Cryo-EM結(jié)構(gòu)顯示Ca_v1.1、Ca_v1.3、Ca_v3.1和Ca_v3.3的胞內(nèi)門關(guān)閉，VSD呈四向上，與失活狀態(tài)一致。相反，Ca_v2.2和Ca_v2.3的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示了一個封閉狀態(tài)失活(CSI)構(gòu)象，其特征是VSDII狀態(tài)下降，PD進(jìn)一步收縮，以及一個緊密密封的細(xì)胞內(nèi)門，該門由Ca_v2特異性的細(xì)胞質(zhì)螺旋在第二個重復(fù)序列中穩(wěn)定，稱為CH2II。為了進(jìn)一步探索機(jī)制，藥物和毒素可以作為捕獲處于不同狀態(tài)的通道進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的重要工具。

人Ca_v1.2的VSDII在cryo-EM結(jié)構(gòu)中呈“下降”（圖源自Cell?）

Ca_v1.2通道與其他LTCCs一起，是多種天然毒素和FDA批準(zhǔn)的藥物的靶點，其中最具特征的藥物是二氫吡啶(DHP)化合物。LTCCs也被稱為DHPR，即DHP受體。大量DHP化合物，包括廣泛使用的降壓藥，如硝苯地平和氨氯地平(AML)，可以變構(gòu)性地調(diào)節(jié)LTCCs。一些抗心律失常藥物，如胺碘酮(AMIO)，作用于心臟腔室通道。然而，AMIO和sofosbuvir(一種治療丙型肝炎的重磅藥物)對Ca_v1.2和Ca_v1.3的協(xié)同抑制可能導(dǎo)致危及生命的心跳減慢。幾種典型DHP藥物和其他LTCC阻滯劑的作用機(jī)制(MOA)已被揭示到原子分辨率。DHP化合物和AMIO在重復(fù)序列III和IV的界面上占據(jù)相同的位置，稱為III-IV開孔。在AMIO存在而非DHPs存在的情況下，SOF被錨定在PD的中心腔中以阻止離子流動DHP拮抗劑傾向于失活的通道構(gòu)象這些藥物結(jié)合的Ca_v1.1和Ca_v1.3結(jié)構(gòu)與載脂蛋白通道非常相似，從而支持上述所有結(jié)構(gòu)的失活狀態(tài)分配。

為了闡明其他藥物和毒素的MOA并捕獲Cav通道的更多功能狀態(tài)，作者開始解決人類Ca_v1.2與溴化哌維銨(PIN)(一種用于緩解腸易激綜合征癥狀的抗痙攣劑)或Calciseptine(CaS)(一種來自黑曼巴毒液的殘留毒素，是第一個用于LTCC的肽阻斷劑)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。在這里，作者對Ca_v1.2在各種調(diào)制器存在下的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在Ca_v1.2Apo/Ca_v1.2CaS/Ca_v1.2PAC和Ca_v1.2PIN之間觀察到的結(jié)構(gòu)變化提供了一個令人信服的例子，說明通過孔形成段的協(xié)調(diào)運(yùn)動，細(xì)胞內(nèi)門和細(xì)胞外SF的耦合。該文提出的Ca_v通道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表征，以及之前的研究，為未來的生物物理和計算表征奠定了基礎(chǔ)。

顏寧再發(fā)Cell

文章模式圖（圖源自Cell ）

武漢大學(xué)藥學(xué)院高帥教授、深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院顏寧教授、北京大學(xué)宋晨研究員為該文章共同通訊作者。武漢大學(xué)藥學(xué)院高帥教授、姚霞教授、清華大學(xué)陳姣鳳博士為該文章共同第一作者。武漢大學(xué)藥學(xué)院為文章第一完成單位。清華大學(xué)化學(xué)系劉磊教授、圣約翰大學(xué)于勇教授為該工作提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

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