韋恩 亨德里克森：咖啡因如何與鈣離子共舞

騰訊科技訊 9月20日，2018深圳國際BT領袖峰會於今日開幕，本次大會主題為「引領精準醫療，共享健康生態」。美國國家科學院院士、美國哥倫比亞大學教授韋恩o亨德里克森（Wayne Hendrickson）出席活動，並發表了題為「控制肌肉收縮的通道活性的結構基礎」的主題演講。

以下為演講全文：

非常感謝大會主辦方邀請我來參加此次在深圳2018年生物技術領袖峰會，今天我想給大家講一個故事，這個故事是我們使用一個結構性的生物技術和技巧，能更好的了解我們體內的肌肉收縮運轉系統，還有它背後的理念。

其實我們研究的目的是希望能夠更好的了解在肌肉裡面的興奮收縮偶聯，這幅圖是裡面的肌原纖維，肌原纖維里大家可以看到肌肉可以在肌肉膜內實現轉換，裡面有一系列的腺狀小洞，是裡面的空心樓管和空心氣道，包括表面到裡面的連接，大家可以看到黃色的內部羅管，是可以實現機制間的連接，能夠帶動基原細胞的振動，包括生理系統、生物物理系統相互交聯實現興奮和收縮。

細胞外面，上面的部分裡面有一個TT很小管，包括鈣化的管道，在鈣化的管道可以產生興奮，並且把鈣釋放到細胞的內部，細胞里了鈣濃度是有限的，細胞外面有比較高的鈣濃度，可以影響基原纖維，綠色是機制網是可以運送這些鈣離子，鈣離子的運送讓基原纖維產生收縮的動能，大家可以看到裡面有一個部是RYR，裡面的基原纖維收縮系統的鈣離子釋放的原理。裡面很多的鈣離子通過釋放，原來是跟細胞進行束縛和綁定，在束縛減離就出現了肌肉收縮，我們不希望肌肉在錯誤的時候收縮，我們希望可以用統一、協調的方式進行肌肉的收縮，利阿諾定的受體可以實現協調的收縮，裡面也會有一個重要的RyR1的受體，包括裡面的機制網，機制網裡包括RyR2，基原纖維如果沒有能實現協調的振動或是收縮的話會出現很多麻煩，這些麻煩可能是由心臟的疾病或是會導致一些疾病，這裡面包括一些澱粉的改變，或是電壓的改變，鈣離子的釋放會讓肌肉的收縮出現一些紊亂，我們講到的利阿諾定的受體是非常重要的調控因子，可以調控肌肉的收縮，控制信道是對於肌肉收縮非常重要的前提，裡面我們稱為利阿諾定的受體，它是一個氣道的支架，我們可以在其他的植物中也能看到，可以通過不同的植物和人體身上了鈣離子運轉描述它的機制。

之前我曾經在哥倫比亞大學和一位心臟學家交流，他非常善於進行研究，他在這裡進行的利阿諾定受體的結構，我們也可以看到系統後來的研究實現了一些突破，五、六年前一個新的博士後克拉克也加入我們的實驗室，這位博士後通過他的方法解決了這個問題，從晶體攻擊出手發現一個新的技能，這個技能已經不再是新進的技能，當時是全新的，因為這個技能有非常好的能力襲擊裡面不同的受體調控，當時我們可以看到在裡面的第二行，第二行包括了來自於另外加入我們實驗室兩位同事弗蘭克和約翰，這個研究是眾人努力的成果，包括4.8A像素的研究圖。

包括裡面一些分子結構的轉變，包括我們講到了鈣調蛋白，這裡面有四個肽的轉化，四個肽包括我們講到的殘點，這個信道是2.3的單位面積，可以產生特定的蛋白。另外一個系統里的轉變我待會兒會跟大家介紹，這裡有不同顏色的標示，X的信道，在中部是一個孔，空隙里包括一個殘點，旁邊分子的結構，這裡結構很複雜，很難辨別局部功能是什麼，包括肽鏈和不同的顏色還有一些氨基酸的序列，每一個人的局部氨基酸的序列都不一樣，有一些人也會缺失。

我們認為這些不同的局部會產生不同的調控功能，在這裡面只是簡要給大家介紹。這是另外一幅圖，只是我剛才講的一部分，上半部的分子是B-sol、C-sol，這些都是我們講的孔系，包括一些蛋白結構識別率比較低，具體的序列里我們只是進行一些初步的辨別，這些圖像也是我們現在的主要理解依據的來源，包括有一些新的結構，我們也在逐漸的發現。

我想給大家展示的是不同顏色標識的solenoid，底部黑色包括一個非常特異的結構，空心氣道的結構是β-Catenin，這個蛋白是非常特殊的，因為形狀不規則，我們識別的時候覺得有點驚訝，實際上是在外部分子結構，上面是一個蘑菇形狀的蓋子，上面是有跨膜的區域，實際上就是離子通道，我們可以看到左邊從上部看上去，左邊是旁邊、側面看過去，上面一共有六個跨膜的螺旋體，他們的構造和其他的離子通道是非常類似的。我們在上面可以看到有鉀離子通道、鈉離子通道，還有CRPV1通道。右手邊有六個跨膜離子通道的跨膜孔，CDT的C端區域對於通道的控制是非常重要的。

接下來我想給大家再介紹一下第二篇論文，第二篇論文是兩年前發表的，實際上是告訴我們通道是如何調節的，我一行一行給大家介紹一下我們想研究什麼，我們想看哪些因素可以激活通道。一是鈣離子可以讓通道被激活，ATP酶是另外的因素，咖啡因也是非常重要的激活因素，咖啡因會讓肌肉纖維發生痙攣，我們想調查背後的機制。最後發現很多的研究對我們是很有幫助的，我們也可以讓分子越來越清晰，這個圖上是有3.8i的解析度，我們進行了研究，我們想要研究、證實我們的結構生理機能，我們製備了一些樣本，把織雙層進行製備，看離子如何通過這個統一領導。如果只是在這個環境有鉀離子的話，我們可以看到從這些記錄的數據可以看到到打開的概率是多少，我們看到概率是22%，ATP酶+咖啡因是13%，也就是說打開的概率和時間是不夠長的，所以他們可能在我們電競下發現打開的時間並不是特別長，我們把鈣例子和咖啡因都放在一起，我們就會發現整個通道打快的概率是超過90%，現在我們看到打開離子通道的結構，並且進行不同環境下的對比。

現在我們看到結合的地方，CTD，C端區域，裡面有150個不同的殘積，還有Csol部分，上面有小框給大家展示了密度的特點，我們把這三種配體的不同情況和密度的變化都進行了比對，上面我們看到有鈣離子，ATP、咖啡因，我們做了不同的實驗來識別每一種情況，我們可以看到在ATP的情況下，它的特點和我們之前建模的結果是非常吻合，鈣離子也是如此，咖啡因吻合程度不是特別好。

3.1A解析度下看到咖啡因的分子結合度並不是特別好，所以我們不能識別它的方向性，這並不是藥物開發方面的問題，現在我們覺得現在冷凍電鏡可以讓我們可以有效的看到怎麼樣研究新的複合物，取代咖啡因。這是我的同事正在努力的方向。

現在取得了哪些實質的進展？研究中我們的發現是什麼呢？如之前所說，有了咖啡因，我們可以激髮結構的不同變化，我們看到從沒有鈣離子的時候到有鈣離子的時候，分子已經發生構向的變化，這是側面看的分子結構圖和通道變化，我們從上部往下看可以看到，咖啡因的環境來看一下會怎麼樣，和有鈣離子的時候運動的圖像是一樣，如果把鈣離子ATP、咖啡因都一起加到環境里會發生深入情況？上部運動是一樣的，中間的通道孔已經被打開了，通道孔從閉合的狀態變成打開的狀態。

接下來一幅圖會看到這樣的通道開放是如何實現的，上面是CTD的區域，而且是和跨膜區域是結合起來的，螺旋體一起運動，三個在運動，而不是四個，通過螺旋體的運動才能將上部打開，我們看到中心是有四個氨基酸，實際上這幾個部分都會互相接觸，一接觸就把整個通道完全封閉了。打開的時候，打開的大小是足夠大，通過鈣離子，以非常大的通量通過鈣離子，這是同時發生非常有趣的現象，建模特色得到了印證。

接下來給大家談談對於離子通道調節非常重要的物質，也是最近研究的結果，通過鈣調蛋白進行，而且這不是我們的研究，這是別人的研究。中間是RyR1，不給大家展示了，它直接結合到通道的中央，這個曲線我們看到越往右邊鈣離子的濃度越高，鈣離子濃度高的時候，沒有鈣調蛋白會受到抑制，有了鈣調蛋白，有了比較低的鈣離子的濃度也是可以得到激活的效應。

這裡的機制雖然比較複雜，但是鈣調蛋白減弱使得左移激活值降低，不需要有太濃的鈣離子濃度，鈣調蛋白也可以實現激活，我們發現黃色的部分是鈣調蛋白結合的部位，它是有兩個不同的區域，之前用MIR進行研究，發現結構包含了兩個部分，兩個葉片部分，綠色的部分是Bsol是橋間羅腺管，周圍是鈣例子、ATP和咖啡因的結合點，參積SCLP的肽和這裡相連接，它和鈣條相結合形成這樣的結構。

放大一點可以看到和這兩個羅腺管相結合的區域是紅色顯示，黃色的部分是C-lobe和N-lobe額，將遊離的肽是綠色表現，肌鈣蛋白像擁抱起來。中間的固態化其實裡面壓抑了原來的活化行為，我們的壓抑就是肌鈣蛋白，我們講到鈣蛋白調控的機制。

研究分析中，有一個合理的推測，大膽的解釋。我們希望改變原來的序列，裡面的密度和濃度發生改變，我們不知道哪個殘點的來源是什麼，我們希望3.0版本的解決方案里，通過肌鈣蛋白入手，希望能捕捉殘點，殘點的來源是什麼，比如說進行RyR2心臟功能調節入手，中國的研究者楊彥也會幫我們進行一些本土化的活動。

這裡面幾百個原來的發現，還有裡面運行的機制，包括其中的一些變異都能用三個疾病的變異包括有一些原來的機制網疾病，還有一些原來在底部的基原纖維疾病，CPPT也是心肌轉變帶來的心臟病隱患。這些疾病的變異也是希望基於幾百個資料庫進行進一步的澄清，希望通過進一步的實驗室轉化能從生物物理機制了解背後的理據，感謝大家的聆聽。

我要對以下研究人員致謝，他們都參與不辭勞苦的研究工作，尤其感謝我最親密的一位戰友，他做了很多工作，我也進行了一些介紹，他也跟我們保持緊密的協作，包括跟心臟學家進行聯袂研究，也講到其他相關疾病的研究學者參與此次研究，我在這裡沒有時間一一介紹，希望了解裡面的機制網、物理、化學變化的機制，有一些博士後研究者也非常優秀，非常感謝各位的聆聽。

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