在哺乳動(dòng)物中，共有10個(gè)Cav通道，分為三個(gè)亞型：Cav1（Cav1.1-Cav1.4），Cav2（Cav2.1-Cav2.3）和Cav3（Cav3.1-Cav3.3）。Cav1通道，也稱為L-型Cav或結(jié)合二氫吡啶（dihydropyridine）受體的DHPRs，包含多個(gè)亞基，包括成孔α1核心亞基，輔助亞基α2δ，β和γ。Cav通道的α1亞基包含2,000個(gè)氨基酸殘基，折疊為4個(gè)同源重復(fù)序列I-V，每個(gè)重復(fù)包含六個(gè)跨膜區(qū)段S1-S6，形成經(jīng)典的電壓控制離子通道（voltagegated ion channel，VGIC）。每個(gè)重復(fù)中的S1-S4形成外圍電壓感應(yīng)域（voltage sensing domain，VSD）; 中心離子傳導(dǎo)孔區(qū)域主要由S5和S6與選擇性過濾器（SF）組成。

由于生理功能的重要性，Cav通道的異常調(diào)節(jié)或功能障礙與多種神經(jīng)、心血管、肌肉和精神疾病相關(guān)。因此，Cav通道也是重要的藥物研究靶標(biāo)。目前市場(chǎng)上有三種主要類型的L型Ca2+通道拮抗劑應(yīng)用于臨床，分別是二氫吡啶（DHP），苯并噻氮（benzothiazepines，BTZ）和苯烷基胺（phenylalkylamines，PAA）。其中，DHP被廣泛用于治療高血壓、心絞痛、早產(chǎn)等。作為BTZ和PAA的原型藥物，diltiazem和verapamil廣泛用于血管舒張、心絞痛治療、高血壓，以及某些心律失常和心動(dòng)過速等。DHP拮抗劑主要通過變構(gòu)效應(yīng)起作用。拮抗劑有利于失活狀態(tài)，而激動(dòng)劑則導(dǎo)致L型Cav通道的長時(shí)間開放。但有趣的是，一些與DHP拮抗劑相似的化合物對(duì)L型Cav通道卻表現(xiàn)出激動(dòng)劑的作用，如(S)-(–)-Bay K 8644（圖1）。

圖1. 具有代表性的DHP拮抗劑（A）和激動(dòng)劑（B）的化學(xué)結(jié)構(gòu)

此前，有課題組解析了與幾種DHP拮抗劑和verapamil結(jié)合、細(xì)菌來源的CavAb晶體結(jié)構(gòu)。CavAb為同源四聚體結(jié)構(gòu)，與真核單鏈Cav通道的親緣關(guān)系相距甚遠(yuǎn)。盡管前人有很多對(duì)于此類激動(dòng)劑和拮抗劑的機(jī)制做了研究，但是精確識(shí)別這些化合物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)仍有待闡明。因此，解析與配體結(jié)合的Cav通道結(jié)構(gòu)對(duì)于揭示DHP拮抗劑和激動(dòng)劑的不同作用模式的分子機(jī)制研究是必需的。

在本實(shí)驗(yàn)室此前的基礎(chǔ)上，通過使用cryo-EM技術(shù)，顏寧組解析了rCav1.1與DHP拮抗劑nifedipine（N）和激動(dòng)劑Bay K 8644（B）結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，總分辨率分別為2.9 Å和2.8 Å （圖2）；rCav1.1與另外兩種代表性BTZ和PAA原型藥物，diltiazem（D）和verapamil（V）結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，總分辨率分別為3.0 Å和2.7 Å （圖2）。

圖2. 結(jié)合不同小分子的兔源Cav1.1結(jié)構(gòu)分析。A. 分別結(jié)合nifedipine (N), Bay K 8644 (B), diltiazem (D), and verapamil (V)的Cav1.1 Cryo-EM Fourier shell correlation (FSC)曲線。 B. rCav1.1-N. Cryo-EM密度圖。 C. 2.9 Å的rCav1.1-N Cryo-EM結(jié)構(gòu)。

作者發(fā)現(xiàn)，結(jié)合了配體后，rCav1.1的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的構(gòu)象改變。而對(duì)于以上的四種配體，結(jié)構(gòu)上都有精確的識(shí)別機(jī)制。這些高分辨率結(jié)構(gòu)的解析確信了BTZ和PAA藥物是rCav1.1的核孔阻遏物，解釋了兩者的抑制效應(yīng)。由于DHP小分子類似物既有拮抗劑效應(yīng)，又有激動(dòng)劑的效應(yīng)，因此還需要更多結(jié)合這些小分子的不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，才能完整的闡述相關(guān)的分子機(jī)制?？偟膩碚f，這些結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在原子水平闡述了rCav1.1的分子基礎(chǔ)，為臨床研究、新藥開發(fā)等提供了重要的參考價(jià)值。

這是顏寧課題組近幾年來在離子通道蛋白研究中的又一重要突破。除了鈣離子通道外，顏寧課題組還在鈉離子通道、鈉離子通道與配體等研究中取得過杰出的研究成果。