PNAS 背靠背：颜宁、潘晓静揭示人体钠泵突变热点，为癫痫和心脏疾病精准医疗带来结构生物学基础
丁香学术
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颜宁团队多年来始终致力于 Nav 通道的结构生物学研究，取得了一系列研究成果，多篇文章发表在 Nature、Science、PNAS 等期刊上。然而以往的研究多是在细菌的钠离子通道晶体结构解析，少有哺乳动物及人源钠离子通道的研究，此次 PNAS 背靠背两篇文章则打破了此前的局限，在人源钠离子通道结构上取得重大突破。
2021 年 3 月 12 日，普林斯顿大学颜宁团队与清华大学潘孝敬团队合作在 PNAS 上发表题为 Structure of human Nav1.5 reveals the fast inactivation-related segments as a mutational hotspot for the long QT syndrome 的研究论文。
图片来源：PNAS
研究报道了 3.3 Å 分辨率的人类 NaV1.5 通道结构，揭示了快速失活相关区域为长 QT 综合征的突变热点区域，为开发治疗心率失常、猝死等疾病的精准医疗手段提供了结构生物学基础。
长 QT 综合征（long QT syndrome, LQTS）表现为 QT 间期延长和 T 波异常，易产生恶性心律失常，导致反复发作性晕厥、心脏骤停甚至猝死等心脏不良事件。
这种综合征主要根据基因型来进行临床分型，最常见的是 LQT1、LQT2 和 LQT3，这 3 种类型所占的比例超过了 LQT 综合征的 90%。其中， LQT3 在休息或睡眠中发生心律失常危险性最大。NaV1.5 作为心脏主要的 Na + 通道的突变与多种心脏疾病相关，包括 LQT3 与布鲁加综合征（BrS）等。E1784K 突变是在 LQT3 与 BrS 患者中都有发现的常见突变。
Structural mapping of Nav1.5 mutations associated with BrS and LQT3.
图片来源：PNAS
该论文报道了 3.3 Å 分辨率的人类 NaV1.5-E1784K 突变体的冷冻电镜结构，其结构与人类野生型结合奎尼丁（一种常见心律不齐治疗药物）的结构几乎相同。与 LQT3、BrS 疾病相关的 91 与 178 位点突变的结构揭示了 LQT3 独特的突变分布模式。
该区域高密度的 LQT3 突变位点可以被快速失活的「door wedge」模型合理解释，该模型来源于该团队之前的结构观察，并得到了大量功能表征的支持。建立结构 - 功能关系和疾病变异的机制将有助于抗心律失常药物的开发。
同期颜宁与潘孝敬团队合作在 PNAS 发表另一篇题为 Comparative structural analysis of human Nav1.1 and Nav1.5 reveals mutational hotspots for sodium channelopathies 的研究论文。
在这项研究中，作者对比分析了人源 NaV1.1 和 NaV1.5 两种离子通道的冷冻电镜结构，在数百个疾病相关的错义突变中，有 70 个位点是共有的。在此基础上，分析建立了钠离子通道相关疾病的突变体结构与功能分析框架。
癫痫（epilepsy），俗称「羊角风」或 「羊癫风」，是大脑神经元突发性异常放电，导致大脑功能发生短暂障碍的症状和体征，是一种慢性疾病。据流行病学资料显示，我国癫痫的总体患病率约为 7.0‰，年发病率为 28.8/ 10 万。目前国内约有 900 万左右的癫痫患者，同时每年新增患者约 40 万，已逐渐发展成为神经科仅次于头痛的第二大常见病。
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International world epilepsy illness awareness day (Feb 8th)
癫痫综合征（epileptic syndrome）是癫痫的一种，可包含多种病因产生复杂的症状和体征，其中遗传性因素占据重要地位。在癫痫综合征的病人中，大脑主要亚型 NaV1.1 的编码基因 SCN1A 中有多达 900 个无义与错义突变被发现。
研究团队报道了人类 NaV1.1-β4 复合体的冷冻电镜结构。比较结构分析数百个 NaV1.1 与 NaV1.5 的错义疾病突变，揭示了其中有 70 个位点是共有的。
研究团队的比较结构分析建立了 NaV 疾病变异的结构与功能关系分析框架，将会促进各种钠通道疾病的精准医学的发展。
延伸阅读：
于 2012 年在 Nature 发表了题为 Crystal structure of an orthologue of the NaChBac voltage-gated sodium channel 的研究论文，报道了一类海洋菌中的钠通道 NavRh 的晶体结构；2017 年在 Science 发表了题为 Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution 的文章，首次报道了第一个真核 NaVPaS 的高分辨率冷冻电镜结构；2018 年再次在 Science 杂志发表了题为 Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with β1 的研究论文， 揭示了首个人源 Nav 通道 Nav 1.4 与其调节亚基 β1 复合物的冷冻电镜结构。
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2020 年 6 月 8 日，颜宁团队在 PNAS 发表题了为 Employing NaChBac for cryo-EM analysis of toxin action on voltage-gated Na+ channels in nanodisc 的研究论文，该研究对洗涤剂胶束和纳米磷脂盘中细菌 Nav 通道（NaChBac）的单粒子冷冻电镜结构进行分析。
图片来源：PNAS
该研究证明 NaChBac 可以作为研究门控修饰毒素（GMTs）和真核细胞 Nav 通道靶片段之间相互作用的模型。为了研究哺乳动物 Nav 通道中的 GMTs，研究团队用 Nav1.7 第二个结构域的电压敏感元件 S3 和 S4 胞外连接片段替换 NaChBac 中的相应序列来构建嵌合体，该模型的建立有望使毒素对接可视化。
这两篇最新研究进一步揭示了钠离子通道的分子结构，更为难得的是通过分析疾病相关突变结构，给长 QT 综合征、癫痫综合征等钠离子通道突变相关疾病的机制与治疗研究提供了有力的结构生物学基础，将极大的推动这一领域发展。
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1. Xu Zhang et al., Crystal structure of an orthologue of the NaChBac voltage-gated sodium channel. Nature DOI：10.1038/nature11054
2. Huaizong Shen et al., Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution. Science DOI: 10.1126/science.aal4326
3. Huaizong Shen et al., Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins. Science DOI：10.1126/science.aau2596
4. Shuai Gao et al, Employing NaChBac for cryo-EM analysis of toxin action on voltage-gated Na+ channels in nanodisc, PNAS, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1922903117
5. Zhangqiang Li et al, Structure of human Nav1.5 reveals the fast inactivation-related segments as a mutational hotspot for the long QT syndrome, PNAS, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2100069118
6. Xiaojing Pan et al, Comparative structural analysis of human Nav1.1 and Nav1.5 reveals mutational hotspots for sodium channelopathies, PNAS, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2100066118
题图来源：站酷海洛 Plus/International world epilepsy illness awareness day
