人类Nav1.5通道激活门动力学与IFM基序可及性的结构和功能机制解析

《Nature Communications》：Structural and functional mechanisms underlying activation gate dynamics and IFM motif accessibility in human Nav1.5

为解决电压门控钠离子通道功能机制理解不足、相关疾病治疗靶向困难等问题，研究人员开展了针对人类Nav1.5通道在中间开放态下结构和功能的研究。他们通过冷冻电镜揭示了由N端结构域与S6I段相互作用稳定的结构，发现了一个潜在的Na+结合位点。结合分子动力学模拟与电生理记录，他们证实单价阳离子占据该位点并调控IFM基序对接与快速失活动力学，提出了修订的失活模型，为理解通道门控及治疗相关心律失常提供了新框架。

　　

在心脏和神经细胞中，电压门控钠通道（Voltage-gated sodium channels, Na_v）如同精密控制的“电流开关”，对动作电位的产生和传导至关重要。其中，Na_v1.5是心脏中主要的亚型，它的功能异常与多种致命性心脏节律紊乱（心律失常）密切相关。尽管其重要性毋庸置疑，但科学家们对Na_v通道如何精确“开门”（激活）、“关门”（失活）的分子细节，尤其是中间状态下的动态过程，仍然知之甚少。这种理解的匮乏，就像我们试图修理一台复杂的机器却不清楚其内部齿轮如何啮合，直接导致针对Na_v通道相关疾病的药物开发举步维艰，许多疗法存在副作用或效果有限。因此，深入揭示Na_v1.5通道的门控机制，不仅是基础科学的核心挑战，也是开发更安全有效疗法的迫切需求。

为了攻克这一难题，一项发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的研究应运而生。研究团队的核心目标是捕捉并解析人类Na_v1.5通道在一个关键但难以捉摸的“中间开放态”下的精细结构，并探究其功能意义。他们通过几个关键的技术手段实现了这一目标：首先，利用单颗粒冷冻电子显微镜技术解析了人类Na_v1.5通道在特定条件下的高分辨率结构。其次，为了验证结构发现的功能相关性并探究动态过程，他们进行了全原子分子动力学模拟。最后，通过在人类胚胎肾细胞中表达野生型及突变型通道，并运用膜片钳技术进行电生理记录，在功能层面验证了模拟和结构的发现。这项研究巧妙地结合了结构、计算和功能实验，为理解通道门控提供了多维度的证据。

结构揭示了一个由N端与S6_I相互作用稳定的中间开放态

研究人员成功解析了人源Na_v1.5通道在3.2 ?分辨率下的冷冻电镜结构。分析表明，该结构代表了一个不同于以往任何已知状态的“中间开放态”。一个关键特征是通道的N端结构域与第一个同源重复结构域中的S6_I螺旋段发生了特异性相互作用，这种相互作用被认为是稳定该中间态的结构基础。同时，激活门（位于S6螺旋形成的孔道内侧）处于部分扩张的状态，为离子通透提供了可能。

发现一个保守的Na⁺结合位点并影响IFM基序可及性

在结构分析中，一个引人注目的发现是在高度保守的快速失活基序“IFM”（异亮氨酸-苯丙氨酸-甲硫氨酸）附近，存在一个由带负电氨基酸残基构成的簇。这个区域在结构上形成了一个潜在的单价阳离子结合位点。随后的分子动力学模拟证实，钠离子（Na⁺）或钾离子（K⁺）能够稳定地占据这个位点。更重要的是，电生理实验发现，改变细胞外Na⁺或K⁺的浓度，可以显著影响通道的快速失活动力学。当该结合位点因突变而被破坏时，离子浓度对失活的调控作用也随之消失。这些结果强有力地表明，这个新发现的离子结合位点能够感知并响应细胞外的单价阳离子环境，从而动态调节IFM基序的可及性及其向失活受点的“对接”过程。

单价阳离子结合调控快速失活动力学

进一步的详细电生理表征量化了离子结合的影响。提高细胞外Na⁺或K⁺的浓度，会加速通道从开放状态进入快速失活状态的速度（即缩短失活时间常数）。反之，降低离子浓度则延缓失活。这种调控依赖于新发现的结合位点。这一发现将细胞外离子环境与通道的失活门控直接联系起来，揭示了之前未被认识到的调控层级。

修订经典的“门楔”失活模型

基于上述发现，研究团队对经典的快速失活“门楔”模型进行了重要修订。传统模型认为，IFM基序像门楔一样直接物理阻塞孔道。而新模型提出，在中间开放态下，IFM基序的“可及性”或“准备就绪状态”受到其附近离子结合事件的动态调节。离子结合稳定了局部结构，从而促进或阻碍IFM基序与失活受点的有效相互作用。这为理解失活过程的精细调控和状态依赖性提供了更精确的框架。

综上所述，这项研究通过解析人类Na_v1.5通道的中间开放态结构，并结合计算与功能实验，取得了系列重要结论：首先，揭示了通道N端结构域与S6_I段在稳定中间开放态中的关键作用。其次，发现并验证了一个位于IFM基序附近、能够结合单价阳离子的新位点。第三，证明了细胞外Na⁺/K⁺通过占据该位点，可以动态调控IFM基序的可及性和通道的快速失活动力学。最后，基于这些证据，研究提出了一个修订的快速失活模型，其中离子结合充当了调节IFM“门楔”有效性的动态开关。

这项工作的意义深远。它首次在原子层面展示了Na_v1.5通道在一个功能相关的中间状态下的结构，填补了门控周期结构图谱的关键空白。所发现的新离子结合位点及其调控机制，为理解心脏电生理的精细调节和病理条件下（如血钾异常引起的心律失常）的通道功能紊乱提供了全新的分子视角。更重要的是，该研究揭示的别构调控位点和中间态特异性结构特征，为开发靶向Na_v1.5通道、治疗心律失常的“状态依赖性”药物提供了前所未有的精确蓝图和潜在新靶点，推动了从传统孔道阻滞剂向更精准、副作用更小的调节剂发展的 therapeutic strategy（治疗策略）。