顏寧研究組再次發表《科學》背靠背文章
當地時間2019年2月14日，顏寧研究組在《科學》（Science）背靠背在線發表了題目分別為《μ-芋螺毒素阻斷人源電壓門控鈉離子通道Nav1.2的分子機理》(Molecular basis for pore blockade of human Na channel Nav1.2 by the μ-conotoxin KIIIA)和《人源電壓門控鈉離子通道Nav1.7與輔助亞基和動物毒素複合物的結構》(Structures of human Nav1.7 channel in complex with auxiliary subunits and animal toxins)的兩篇研究長文，分別解析了人源電壓門控鈉離子通道（以下簡稱鈉通道）Nav1.2與其特異性阻斷毒素μ-芋螺毒素KIIIA複合物和人源鈉通道Nav1.7與其特異性調節毒素ProTx-II或Huwentoxin-IV複合物的冷凍電鏡結構，解析度分別為3.0和3.2 埃（1埃=0.1納米），為深入理解鈉通道工作機理、疾病突變致病機理和特異性毒素與其相互作用機理提供了分子基礎，同時為針對鈉通道的多肽類藥物研發提供了可靠模板。
鈉通道負責動作電位的發生和傳播，是所有可興奮細胞（包括神經和肌肉細胞等）產生電信號的基本元件。在人體中，鈉通道存在著九種亞型，命名為Nav1.1- Nav1.9。這些亞型的分布具有組織特異性，它們的異常失活和激活會導致嚴重的神經、心血管和肌肉等系統的多種疾病。其中，Nav1.2主要分布在大腦，其突變可導致癲癇、自閉症等疾病；而Nav1.7則主要分布在脊神經背根神經節、三叉神經節和交感神經節等處的疼痛感知神經元，與人體對疼痛的感知密切相關，其突變可以造成痛覺喪失或者極端疼痛等痛感異常相關的疾病。
早在2000年，世界衛生組織就提出「慢性疼痛是一類疾病」。疼痛嚴重影響人類的健康、工作和生活。疼痛可分為急性和慢性兩種。其中，急性疼痛主要包括創傷和術後疼痛，而慢性疼痛則伴隨多種類型的疾病，例如骨質疏鬆症、類風濕性關節炎、中風後疼痛、偏頭痛、糖尿病性神經痛、臟器疼痛、腰背疼痛和癌痛等。據Decision Resources的報告指出，2013年全球主要醫藥市場的疼痛治療費用達到365億美元。值得一提的是，目前全世界面臨著較為嚴重的阿片類止痛藥成癮危機。阿片類藥物是治療癌症疼痛等的主要止痛藥，近年來被越來越多地濫用緩解慢性疼痛。但是使用阿片類藥物止痛存在著較強的成癮性和較為嚴重的呼吸抑制等副作用。以美國為例，僅在2017年，濫用阿片類止痛藥致死人數已達到了6.4萬。因此，國際製藥界迫切希望能夠開發出替代性的止痛藥。
大量的遺傳學工作表明Nav1.7與疼痛感知直接相關。Nav1.7的突變可以導致嚴重的家族遺傳性疼痛異常或者痛覺喪失等疾病。因此以Nav1.7為靶標進行相關止痛藥的開發是許多國際著名製藥公司的重點研究方向。Nav1.7高解析度結構的解析將極大地促進以其作為疼痛治療靶點的藥物研發。
因為鈉通道在動作電位發生和傳遞中至關重要的作用，它們構成了包括蛇毒、蠍毒、河魨毒素、蜘蛛毒素等在內的多種天然動物毒素的最主要作用靶點，而這些毒素也被作為可能的藥物前體而被廣泛研究。
由於分子量大，表達量極低以及結構本身的複雜性，人源鈉通道一直以來都是結構生物學研究中最具挑戰性的靶標之一。
在此次背靠背發表的兩篇《科學》長文中，顏寧研究組利用冷凍電鏡的方法，分別解析了人源鈉通道Nav1.2和Nav1.7的高解析度結構。
在Nav1.2的文章中，研究人員仔細分析了Nav1.2特異性毒素KIIIA與鈉通道胞外區和離子選擇篩的相互作用，並對已知結構的毒素與鈉通道的相互作用類型進行了比較和歸納，從而揭示了其針對不同鈉通道亞型具有特異性抑制的分子機理。這一發現為設計開發針對特定鈉通道亞型的藥物提供了分子基礎和理論指導。
Nav1.7的文章有幾個亮點：1. 作為重要的止痛藥靶點，Nav1.7是最受關注的鈉通道亞型，然而其重組蛋白表達困難限制了抗體製備和結構解析。在該研究中，研究人員通過篩選致病突變，僅僅通過引入一個氨基酸的點突變，就大大提高了蛋白的表達量，獲得了適合結構解析的樣品，這本身就對於未來的藥物開發具有重要意義；2. 研究人員解析了Nav1.7在兩個輔助亞基β1和β2並存的情況下，與兩種改變通道門控特性的蜘蛛毒素分別結合的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了這些毒素的結合位點，從而對鈉通道受到毒素特異調節的機制進行了闡釋和完善。
顏寧自2007年獨立領導實驗室以來，一直致力於鈉通道的結構生物學研究，並取得了一系列重要成果：她們在2012年報道了一種海洋菌中的原核鈉通道NavRh的晶體結構 (1)；之後便集中力量攻堅真核鈉通道的結構與機理，於2017年終於在世界上率先報道了第一個真核鈉通道的原子模型，即來自美洲蟑螂的鈉通道NavPaS的3.8埃解析度電鏡結構，揭開了鈉通道的神秘面紗 (2)；幾個月後又報道了在鈉通道研究史上佔據重要地位的來自電鰻的鈉通道EeNav1.4的電鏡結構，並根據結構提出了鈉通道快速失活的「變構阻礙」模型 (3)。在2018年，顏寧研究組在《科學》發表兩篇背靠背長文，分別報道了NavPaS與經典神經毒素TTX/STX和一種門控調節毒素Dc1a的複合物結構(4)，以及第一個人源的鈉通道、骨骼肌特異的Nav1.4的高解析度冷凍電鏡結構(5)。本次報道的兩項工作進一步鞏固了顏寧研究組在鈉離子通道結構生物學領域的領導地位，對於理解鈉通道的工作機理、以及開展基於結構的藥物開發具有重要意義。
圖1.鈉通道和毒素相互作用的不同模式
（A）Nav1.2與特異性毒素KIIIA的複合物結構；（B）NavPaS與Dc1a的複合物結構；（C）Nav1.7與特異性毒素Huwentoxin-IV的複合物結構；（D）Nav1.7與特異性毒素ProTx-II的複合物結構。
原清華大學生命科學學院、結構生物學高精尖創新中心顏寧教授是兩篇研究論文的通訊作者。
Nav1.2文章：清華大學醫學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者潘孝敬，生命科學聯合中心博士生李張強、黃高興宇，以及生命科學學院二年級博士生黃曉爽為共同第一作者。清華大學劉磊實驗室進行了毒素的合成工作。
Nav1.7文章：清華大學醫學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者申懷宗和生命科學學院二年級博士生劉棟樑為共同第一作者，畢業於清華大學醫學院、現就職於首都師範大學附屬北京朝陽醫院心腦肺復甦北京市重點實驗室的吳坤博士進行了Nav1.7相關的電生理分析。
國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平台和清華大學高性能計算平台分別為該研究的數據收集和數據處理提供了支持，清華大學冷凍電鏡平台的雷建林博士對數據收集進行了指導，並獲得工作人員李曉敏博士的技術輔助。北京市結構生物學高精尖創新中心（清華）、生命科學聯合中心（清華大學）、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、科技部和基金委為該研究提供了經費支持。顏寧教授自2017年秋季入職普林斯頓大學分子生物學系後受到Shirley M. Tilghman講席教授專項啟動經費的支持。
Nav1.2: http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/13/science.aaw2999?rss=1
Nav1.7: http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/13/science.aaw2493?rss=1
相關論文鏈接：
1. X. Zhanget al., Crystal structure of an orthologue of the NaChBac voltage-gated sodium channel.Nature486, 130-134 (2012).
2. H. Shenet al., Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution.Science355, (2017).
3. Z. Yanet al., Structure of the Nav1.4-beta1 Complex from Electric Eel.Cell170, 470-482 e411 (2017).
4. H. Shenet al., Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins.Science, (2018).
5. X. Panet al., Structure of the human voltage-gated sodium channel Nav1.4 in complex with beta1.Science, (2018).
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