靶向治療癲癇有戲了 科學家 “看清” 疾病關鍵蛋白

來源: 科技日報 / 作者: 2019-11-13
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人體細胞內鉀、鈉、氯的離子濃度失衡,會導致高血壓、抑郁、癲癇等一系列疾病。在細胞膜上,有一類被稱為陽離子 - 氯離子共轉運蛋白的蛋白質,它們就像是一個個門戶,專門負責調控人體細胞內外的離子濃度。

長期以來,由于缺乏精確的結構信息,人們對這類膜蛋白的工作機理認識非常有限。日前天津大學生命科學學院青年教師劉斯與合作者首次解析出人源鉀 - 氯共轉運蛋白(KCC1)的高分辨結構,提出了鉀 - 氯共轉運機理,為癲癇等相關疾病治療和藥物設計提供了新的視角。劉斯以第一作者身份在頂級學術期刊《科學》上發表了相關論文。

轉運蛋白突變能引發癲癇

癲癇俗稱 “羊角風” 或“羊癲風”,是大腦神經元突發性異常放電,導致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。癲癇病因復雜多樣,包括遺傳因素、腦部疾病、全身或系統性疾病等。其中遺傳因素是導致癲癇尤其是特發性癲癇的重要原因。分子遺傳學研究發現,一部分遺傳性癲癇的分子機制為細胞離子通道或相關分子的結構或功能改變。

活體細胞不停地進行新陳代謝活動,就必須不斷地與周圍環境進行物質交換,而細胞膜上的離子通道或轉運蛋白等離子運輸蛋白就是這種物質交換的重要途徑。人們已經知道,大多數對生命具有重要意義的物質都是水溶性的,如各種離子、糖類等,它們需要進入細胞,而生命活動中產生的水溶性廢物也要離開細胞,這些過程都需要離子運輸蛋白。其中,轉運蛋白位于細胞膜上,能夠介導水溶性小分子的跨膜運輸。

“在神經膠質細胞和外周神經系統神經元中,陽離子 - 氯離子共轉運蛋白的作用尤為重要,它們把守著細胞的門戶,專門負責調控人體細胞內外的離子濃度,利用細胞膜內外兩側的鉀離子濃度梯度將細胞內的鉀 - 氯共轉運至細胞外,對于維持細胞的電離平衡,保障生物細胞活性至關重要。” 劉斯介紹說,近年來的遺傳和生化研究表明,在人類神經系統中,鉀氯共轉運蛋白突變,會顯著影響其向細胞外轉運氯離子的活性,進而引發癲癇等疾病。

鉀 - 氯共轉運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。了解 KCC1 蛋白的精確結構信息,將有助于基于該結構開展藥物研發,從而為臨床上治療相關疾病提供精準的數據支持。

捕捉 “冰凍” 蛋白讓其結構一目了然

要想解析 KCC1 的蛋白精確結構,就要先 “捕捉” 到這種蛋白的“樣子”。據了解,單顆粒冷凍電鏡技術是時下最先進的蛋白結構解析技術,其解析結構的方法是通過用電子顯微鏡對冷凍固定在玻璃態冰中的生物大分子進行成像,然后用計算機對所攝取的生物大分子圖像進行處理和計算,進而重構出生物大分子的三維結構。劉斯解釋說,這一技術應用的核心操作就是樣品冷凍、冷凍成像和三維重構,簡單來說就是要對被觀測的蛋白溶液進行“速凍”,然后對凍結在溶液中數以萬計的蛋白進行“拍照”,再對海量的平面照片進行大規模運算處理,形成三維立體的密度圖。

當好 “攝影師” 對于科研人員來說并不輕松,KCC1 的分子量非常小,并且胞內區結構域狀態不固定。劉斯等人將表達 KCC1 蛋白的基因包裹在桿狀病毒中,用哺乳動物細胞過量表達。為了得到均一性良好的 KCC1,對去垢劑的種類也進行了篩選,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構,需要保證被拍攝蛋白能夠具有正常蛋白形態。“為了獲得最接近生理狀態下的 KCC1 蛋白,我們將蛋白構建到納米盤(模擬細胞膜的脂雙分子層)上。”劉斯說,蛋白溶液樣品被滴入事先準備好的 “網” 中,再將 “網” 放入液態乙烷中“速凍”。每個網格里都聚集著數百個中空孔,蛋白顆粒就被凍結在其中。

最終,劉斯與課題組依托單顆粒冷凍電鏡技術,成功解析出 3 個人源 KCC1 的原子分辨率結構,發現 KCC1 是以二聚體的形式存在,并闡釋了該轉運蛋白以 1∶1 的比例同時、同向轉運鉀離子和氯離子的機理,提出了 KCC1 共轉運鉀離子和氯離子的模型。此項研究成果對研發以陽離子 - 氯離子共轉運蛋白為靶點的癲癇病治療藥物,具有巨大的現實意義和應用價值。

陳 曦 通訊員 趙習鈞

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