疼痛的滋味很難受，這是幾乎人人都有過的體驗(yàn)，有時(shí)候痛起來(lái)真“要命”。
痛，這看似發(fā)生在一瞬間的感受，其實(shí)包含著一系列信號(hào)傳遞。阻斷痛覺，首先要弄清其傳感通路。
7月7日，美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授顏寧團(tuán)隊(duì)的最新成果在線發(fā)表于《自然》。該研究首次解析了人源神經(jīng)組織N型電壓門控鈣離子通道3.1埃分辨率的高清三維結(jié)構(gòu)，為理解其功能提供了線索。研究還解析了3.0埃的止痛藥齊考諾肽(Ziconotide)阻斷該通道的結(jié)構(gòu)，為該通道的特異性止痛藥物研發(fā)提供思路。
切斷通路 無(wú)法感知疼痛
當(dāng)針尖扎入人體，當(dāng)滾油濺到皮膚上時(shí)，遍布全身的神經(jīng)末梢最先感受到，它會(huì)將刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳遞給位于脊髓中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)再將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號(hào)——神經(jīng)遞質(zhì)，最后傳輸至大腦。
在從電信號(hào)至化學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)化過程中，離不開Cav2.2，即神經(jīng)組織N型電壓門控鈣離子通道的參與。
電壓門控離子通道是細(xì)胞控制離子運(yùn)輸?shù)囊活愔匾鞍?，包括鈣離子、鉀離子、鈉離子等的運(yùn)輸。它們?cè)诒姸嗌磉^程中扮演著重要角色，如基因表達(dá)、神經(jīng)信號(hào)傳遞、肌肉收縮、神經(jīng)退行性疾病、心臟病、精神疾病等。離子通道蛋白是目前僅次于GPCR(G蛋白偶聯(lián)受體)的第二大藥物治療靶點(diǎn)。
鈣離子(Ca2+)作為生物體內(nèi)重要的第二信使，參與著肌肉收縮、神經(jīng)信號(hào)傳遞、腺體分泌、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控及細(xì)胞凋亡等生命過程。電壓門控鈣離子通道(Cav)蛋白家族包括10個(gè)成員，根據(jù)其序列上的差異，可分為3個(gè)亞家族，分別是Cav1.1-1.4、Cav2.1-2.3、Cav3.1-3.3。
近年來(lái)，顏寧團(tuán)隊(duì)一直致力于解析不同亞型Cav的三維結(jié)構(gòu)，此前已成功解析出Cav1.1、Cav3.1等復(fù)合物結(jié)構(gòu)。
在該研究中，他們聚焦于家族成員Cav2.2。當(dāng)細(xì)胞膜電位發(fā)生變化時(shí)，Cav2.2會(huì)被立即激活，開啟通道閘門，以便信使Ca2+順利從細(xì)胞膜外進(jìn)入膜內(nèi)，從而促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，引發(fā)一系列下游信號(hào)通路。因此，如果人為切斷Cav2.2，神經(jīng)信號(hào)難以傳導(dǎo)，大腦也就無(wú)法感知疼痛了。
Cav2.2形似一匹躍起的“駿馬”
要切斷Cav2.2并不容易。它和“家人們”長(zhǎng)得非常相似，能夠調(diào)控Cav2.2的分子，往往也能調(diào)控其他成員，從而引起異常的生理反應(yīng)。這成了相關(guān)止痛藥物研發(fā)的瓶頸。
目前上市的僅有一種依靠阻隔Cav2.2來(lái)發(fā)揮作用的止痛藥——齊考諾肽。與阿片類止痛藥相比，它不會(huì)成癮，效果不會(huì)隨用量增多而變差,幾乎能夠緩解所有疼痛，同時(shí)擁有極強(qiáng)的止痛效力，是阿片類止痛藥的1000倍。
但齊考諾肽只能通過鞘內(nèi)注射給藥，即通過腰穿將藥物直接注入蛛網(wǎng)膜下腔，使藥物彌散在腦脊液中。“大家都希望能以齊考諾肽為模板，開發(fā)出服用方便、更加安全有效的止痛藥。”論文第一作者、普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系博士后高帥說(shuō)。
“從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度，我們想知道，Cav2.2的結(jié)構(gòu)是怎樣的、齊考諾肽與它是怎么結(jié)合的。只有了解清楚它的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，才能針對(duì)相應(yīng)的蛋白設(shè)計(jì)靶向藥物。”論文共同第一作者、普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系博士后姚霞說(shuō)。
利用單顆粒冷凍電鏡方法，研究人員重構(gòu)了分辨率為3.0埃的人源Cav2.2蛋白復(fù)合物與齊考諾肽結(jié)合前后的三維結(jié)構(gòu)。
三維重構(gòu)圖顯示，Cav2.2的3個(gè)亞基相互交疊，形似一匹騰空躍起的“駿馬”，α2δ-1構(gòu)成的“馬頭和脖子”伸向細(xì)胞膜外，α1構(gòu)成“馬身和前蹄”跨過整個(gè)跨膜區(qū)，留下“后腿”β3蹬在細(xì)胞膜內(nèi)，作為支撐。
高帥介紹，“齊考諾肽就結(jié)合在鈣離子運(yùn)輸?shù)娜肟谔?。相?duì)于結(jié)合前，α2δ-1和α1的膜外環(huán)狀結(jié)構(gòu)協(xié)同向上進(jìn)行位移，空出位置，‘讓路’給齊考諾肽，便于它與蛋白結(jié)合。”
為止痛藥物研發(fā)提供思路
對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析計(jì)算后，研究人員解析了β3與α1亞基的相互作用。
“我們還發(fā)現(xiàn)，與此前研究的Cav1.1、Cav3.1不同，Cav2.2多了CH1和CH2兩個(gè)結(jié)構(gòu)片段。”姚霞說(shuō)，同時(shí)，Cav2.2的4個(gè)電壓感受器(VSD)并未同時(shí)升起，其中VSD2呈現(xiàn)出“down”的構(gòu)象狀態(tài)，這在其他家族成員的VSD構(gòu)象中從未觀察到。
經(jīng)過進(jìn)一步分析，研究人員還在其VSD2中發(fā)現(xiàn)了磷脂分子PIP2，它有助于其“down”構(gòu)象的穩(wěn)定。
“這很令人驚喜。目前我們還無(wú)法準(zhǔn)確判斷整個(gè)蛋白處于何種功能狀態(tài)、它為何如此呈現(xiàn)，這也是未來(lái)需要研究的問題。”她說(shuō)。
高帥表示，“我們對(duì)家族代表成員Cav2.2的結(jié)構(gòu)解析，為今后Cav通道調(diào)控的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)，也為針對(duì)Cav2.2的止痛藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了思路。”
