陳曦 通訊員 趙習(xí)鈞

　　人體細(xì)胞內(nèi)鉀、鈉、氯的離子濃度失衡，會導(dǎo)致高血壓、抑郁、癲癇等一系列疾病。在細(xì)胞膜上，有一類被稱為陽離子-氯離子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的蛋白質(zhì)，它們就像是一個個門戶，專門負(fù)責(zé)調(diào)控人體細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度。

　　長期以來，由于缺乏精確的結(jié)構(gòu)信息，人們對這類膜蛋白的工作機(jī)理認(rèn)識非常有限。日前天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院青年教師劉斯與合作者首次解析出人源鉀-氯共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(KCC1)的高分辨結(jié)構(gòu)，提出了鉀-氯共轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理，為癲癇等相關(guān)疾病治療和藥物設(shè)計(jì)提供了新的視角。劉斯以第一作者身份在頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表了相關(guān)論文。

　　轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白突變能引發(fā)癲癇

　　癲癇俗稱“羊角風(fēng)”或“羊癲風(fēng)”，是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。癲癇病因復(fù)雜多樣，包括遺傳因素、腦部疾病、全身或系統(tǒng)性疾病等。其中遺傳因素是導(dǎo)致癲癇尤其是特發(fā)性癲癇的重要原因。分子遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，一部分遺傳性癲癇的分子機(jī)制為細(xì)胞離子通道或相關(guān)分子的結(jié)構(gòu)或功能改變。

　　活體細(xì)胞不停地進(jìn)行新陳代謝活動，就必須不斷地與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，而細(xì)胞膜上的離子通道或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等離子運(yùn)輸?shù)鞍拙褪沁@種物質(zhì)交換的重要途徑。人們已經(jīng)知道，大多數(shù)對生命具有重要意義的物質(zhì)都是水溶性的，如各種離子、糖類等，它們需要進(jìn)入細(xì)胞，而生命活動中產(chǎn)生的水溶性廢物也要離開細(xì)胞，這些過程都需要離子運(yùn)輸?shù)鞍�。其中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞膜上，能夠介導(dǎo)水溶性小分子的跨膜運(yùn)輸。

　　“在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和外周神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中，陽離子-氯離子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用尤為重要，它們把守著細(xì)胞的門戶，專門負(fù)責(zé)調(diào)控人體細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度，利用細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的鉀離子濃度梯度將細(xì)胞內(nèi)的鉀-氯共轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，對于維持細(xì)胞的電離平衡，保障生物細(xì)胞活性至關(guān)重要。”劉斯介紹說，近年來的遺傳和生化研究表明，在人類神經(jīng)系統(tǒng)中，鉀氯共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白突變，會顯著影響其向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)氯離子的活性，進(jìn)而引發(fā)癲癇等疾病。

　　鉀-氯共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白這種重要的生理功能，也使它成為臨床上治療癲癇等疾病的藥物靶點(diǎn)。了解KCC1蛋白的精確結(jié)構(gòu)信息，將有助于基于該結(jié)構(gòu)開展藥物研發(fā)，從而為臨床上治療相關(guān)疾病提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

　　捕捉“冰凍”蛋白讓其結(jié)構(gòu)一目了然

　　要想解析KCC1的蛋白精確結(jié)構(gòu)，就要先“捕捉”到這種蛋白的“樣子”。據(jù)了解，單顆粒冷凍電鏡技術(shù)是時(shí)下最先進(jìn)的蛋白結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，其解析結(jié)構(gòu)的方法是通過用電子顯微鏡對冷凍固定在玻璃態(tài)冰中的生物大分子進(jìn)行成像，然后用計(jì)算機(jī)對所攝取的生物大分子圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，進(jìn)而重構(gòu)出生物大分子的三維結(jié)構(gòu)。劉斯解釋說，這一技術(shù)應(yīng)用的核心操作就是樣品冷凍、冷凍成像和三維重構(gòu)，簡單來說就是要對被觀測的蛋白溶液進(jìn)行“速凍”，然后對凍結(jié)在溶液中數(shù)以萬計(jì)的蛋白進(jìn)行“拍照”，再對海量的平面照片進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)算處理，形成三維立體的密度圖。

　　當(dāng)好“攝影師”對于科研人員來說并不輕松，KCC1的分子量非常小，并且胞內(nèi)區(qū)結(jié)構(gòu)域狀態(tài)不固定。劉斯等人將表達(dá)KCC1蛋白的基因包裹在桿狀病毒中，用哺乳動物細(xì)胞過量表達(dá)。為了得到均一性良好的KCC1，對去垢劑的種類也進(jìn)行了篩選，最終獲取到高純度的人源KCC1蛋白樣品。

　　不僅如此，要想分析出蛋白的三維結(jié)構(gòu)，需要保證被拍攝蛋白能夠具有正常蛋白形態(tài)�！盀榱双@得最接近生理狀態(tài)下的KCC1蛋白，我們將蛋白構(gòu)建到納米盤(模擬細(xì)胞膜的脂雙分子層)上�！眲⑺拐f，蛋白溶液樣品被滴入事先準(zhǔn)備好的“網(wǎng)”中，再將“網(wǎng)”放入液態(tài)乙烷中“速凍”。每個網(wǎng)格里都聚集著數(shù)百個中空孔，蛋白顆粒就被凍結(jié)在其中。

　　最終，劉斯與課題組依托單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功解析出3個人源KCC1的原子分辨率結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)KCC1是以二聚體的形式存在，并闡釋了該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以1∶1的比例同時(shí)、同向轉(zhuǎn)運(yùn)鉀離子和氯離子的機(jī)理，提出了KCC1共轉(zhuǎn)運(yùn)鉀離子和氯離子的模型。此項(xiàng)研究成果對研發(fā)以陽離子-氯離子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為靶點(diǎn)的癲癇病治療藥物，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。