清華新聞網(wǎng)12月18日電 12月15日，清華大學醫(yī)學院顏寧研究組與生命學院施一公研究組、以及英國MRC分子生物學實驗室Sjors Scheres研究組合作在《自然》（Nature）期刊在線發(fā)表題為 “Structure of the rabbit ryanodine receptor RyR1 at near-atomic resolution” （兔源RyR1的近原子分辨率結(jié)構(gòu)）的研究長文，揭示了目前已知最大離子通道Ryanodine受體RyR1的三維結(jié)構(gòu)，為理解其功能提供了重要線索。

鈣離子是生命體中最為豐富的陽離子之一，也是細胞信號傳導中重要的第二信使，參與調(diào)控肌肉收縮、細胞分泌、神經(jīng)信號傳遞等重要生命過程。在正常情況下，細胞質(zhì)中的鈣離子濃度維持在100 nM左右的低濃度，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（或肌肉組織肌質(zhì)網(wǎng)）中的鈣離子濃度卻高達mM級，是細胞內(nèi)的“鈣庫”。在肌肉細胞中，當細胞外或者肌質(zhì)網(wǎng)中的鈣離子釋放到細胞質(zhì)時，會引發(fā)肌肉的收縮反應。這一過程稱為肌肉興奮收縮偶聯(lián)，是骨骼肌及心肌運動的分子基礎。而負責將鈣離子從肌質(zhì)網(wǎng)快速大量釋放到胞漿中的是一種稱作Ryanodine受體（Ryanodine Receptor，簡稱RyR）的高通量鈣離子通道。

RyR以四聚體的形式行使功能，每個單體超過5000個氨基酸，因此其四聚體總分子量達到二百三十萬道爾頓（2.3 MDa），是目前已知的最大離子通道蛋白。在哺乳動物中有三種RyR蛋白，其中RyR1主要分布在骨骼肌細胞中，RyR2主要分布在心肌細胞中，RyR3則最早在腦細胞中發(fā)現(xiàn)，它們在序列上具有高度保守性。RyR的離子通道開關受到包括鈣離子濃度在內(nèi)多種信號的復雜調(diào)控。RyR的突變體會導致諸如肌中央軸空病（central core disease, CCD）、惡性高熱易感癥（malignant hyperthermia susceptibility, MHS）等疾病。大量文獻報道統(tǒng)計表明，目前已有超過500種RyR突變體與疾病有關。

RyR1單體結(jié)構(gòu)域解析以及四聚體的三維電鏡結(jié)構(gòu)。

由于RyR的重要生理功能及其作為鈣離子通道的基礎研究意義，針對其結(jié)構(gòu)與功能的研究一直備受關注。自上世紀70年代科學家發(fā)現(xiàn)這個蛋白、80年代開始系統(tǒng)研究RyR迄今近40年，國內(nèi)外很多實驗室都致力于對RyR的結(jié)構(gòu)分析，但限于RyR龐大的分子量，蛋白獲取和蛋白結(jié)晶的難度都十分大，之前僅有個別小片段的晶體結(jié)構(gòu)。過去20年中，多篇文獻報道了RyR的低分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，揭示其蘑菇狀的外形特征，但是這些電鏡結(jié)構(gòu)的分辨率最高只達到10埃（1納米）左右，無法看清該蛋白的二級結(jié)構(gòu)。

近兩年單顆粒冷凍電鏡在探測器和計算方法上發(fā)生革命性進展，利用冷凍三維重構(gòu)的方法解析蛋白質(zhì)原子分辨率結(jié)構(gòu)已成為可能。顏寧研究組、施一公研究組與英國MRC的Sjors Scheres教授合作，摸索了新的蛋白純化策略，獲得優(yōu)質(zhì)的蛋白樣品，利用單顆粒冷凍電鏡方法，成功解析了兔源的RyR1蛋白與其抑制蛋白FKBP12的復合物三維結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)總體分辨率達到了3.8Å，其中負責離子運輸?shù)目缒�區(qū)分辨率甚至超過3.5 Å，可以準確搭建原子結(jié)構(gòu)模型。

兔源RyR1每個單體包含5037個氨基酸，其中3000多個氨基酸的原子坐標獲得解析。除去之前已經(jīng)獲得的三個可溶區(qū)結(jié)構(gòu)域片段，該電鏡結(jié)構(gòu)首次揭示了跨膜區(qū)（每個單體含有近500個氨基酸）、以及可溶區(qū)中三個全新結(jié)構(gòu)域的接近原子分辨率三維結(jié)構(gòu)。RyR1的結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)四次對稱的金字塔形狀。其跨膜區(qū)具有類似于電壓門控離子通道的折疊特點，但還有額外的結(jié)構(gòu)域以實現(xiàn)對通道開閉狀態(tài)的調(diào)控。跨膜區(qū)的高分辨率及高質(zhì)量密度揭示了RyR1識別鈣離子的機理及其高通量運輸鈣離子的分子基礎。整體結(jié)構(gòu)分析顯示了龐大的細胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的層級結(jié)構(gòu)組織特征以及調(diào)控通道開關的可能機制。該研究對于肌肉-收縮偶聯(lián)以及與之相關的疾病的認識也具有重要的意義，也為治療相關疾病提供了重要的結(jié)構(gòu)線索。

RyR1跨膜粒子通道區(qū)的三維結(jié)構(gòu)模型。

本文的通訊作者是清華大學醫(yī)學院的顏寧教授、生命學院的施一公教授以及英國MRC分子生物學實驗室的Sjors H. W. Scheres教授；共同第一作者是清華大學醫(yī)學院的四年級博士生閆湞，生命學院五年級博士生閆創(chuàng)業(yè)以及英國MRC的博士后白曉辰。清華大學生命學院的李雪明研究員和北京大學醫(yī)學部生物物理學系尹長城教授參與該研究。

本研究受到科技部、基金委、生命科學聯(lián)合中心-清華大學、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室的經(jīng)費支持。顏寧是清華大學醫(yī)學院拜耳講席教授以及霍華德休斯醫(yī)學研究院國際青年科學家。