揭示鈣調蛋白調節RyR2受體機制

　　心肌收縮是由鈣離子流入細胞質觸發的，最初是由Cav1.2介導的細胞外環境中的鈣離子流入觸發的，隨后是由蘭尼堿受體2（ryanodine receptor 2, RyR2）介導的肌漿網鈣庫中的鈣離子流入觸發的。蘭尼堿受體是已知最大的離子通道，由分子量大于2兆道爾頓（MDa）的同源四聚體組成。80％以上的蘭尼堿受體折疊成一種多結構域的細胞質組裝體，可感知與各種調節物（從離子到蛋白）之間的相互作用。對RyR2活性的精確調控對于每次心跳都是至關重要的。異常的RyR2活性與危及生命的心律失常相關。

　　分子量為17kDa的鈣調蛋白（CaM）是一種重要的鈣傳感器，在大多數鈣信號轉導事件中起著重要作用。CaM由大致對稱的N-末端葉和C-末端葉（下文中的N-葉和C-葉）組成，并且C-葉和N-葉由柔性鉸鏈連接在一起。每個末端葉能夠通過兩個EF-手（螺旋E-手和螺旋F-手）基序協同性地結合兩個鈣離子，結合親和力在微摩爾范圍內。在鈣離子結合后，兩個末端葉中的幾個疏水性氨基酸殘基的暴露促進CaM與靶序列的結合。CaM與蘭尼堿受體直接相互作用，CaM-RyR原聚體的化學計量比為1：1，結合親和力在納摩爾范圍內。

　　然而，CaM對蘭尼堿受體的調節是異構型特異性的。CaM顯示出對RyR1的雙相調節，在納摩爾水平的鈣離子下作為一種較弱的激活劑（apo-CaM），在納摩爾水平的鈣離子下作為一種抑制劑（Ca2+-CaM）發揮作用。相反，apo-CaM對RyR2沒有影響或抑制作用，而Ca2+-CaM抑制RyR2。

　　CaM還經證實有助于終止鈣庫過載誘導的鈣離子釋放。CaM和RyR2之間的異常相互作用與心力衰竭相關，并且對受損的CaM-RyR2相互作用進行校正可能作為一種治療壓力負荷性心力衰竭（pressure-overload-induced heart failure）中致死性心律失常的方法。

　　對RyR-CaM復合物的結構表征受限于低分辨率的電子顯微鏡圖，現有的電子顯微鏡圖表明apo-CaM和Ca2+-CaM在RyR1中存在兩個重疊但不同的結合位點。一種對應于RyR1的氨基酸殘基3614-3643（RyR2的中心結構域中的氨基酸殘基3581-3612）的肽結合apo-CaM和Ca2+-CaM。與這種肽結合在一起時的Ca2+-CaM的晶體結構揭示出這種肽的N末端和C末端的疏水性錨點分別容納Ca2+-CaM的C-葉和N-葉。

CaM和RyR2之間的界面，圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1377-y。

　　在一項新的研究中，來自為了闡明CaM對RyR2的調節，來自中國清華大學和加拿大卡爾加里大學的研究人員報道了RyR2的低溫電鏡（cryo-EM）結構，它們共同地揭示了不同形式的CaM對分子識別特征，并針對CaM對RyR2通道門控的調節提供了新的見解。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“Modulation of cardiac ryanodine receptor 2 by calmodulin”。

　　這些研究人員通過解析出RyR2在8種條件下的結構，揭示出人CaM對豬RyR2的調控機制。apo-CaM和Ca2+-CaM結合在一個由手柄、螺旋和中心結構域形成的狹長裂縫中，但是它們的結合位點是不同的，但存在一定的重疊。RyR2上的CaM結合位點轉移是由鈣離子結合到CaM而不是RyR2上來控制的。Ca2+-CaM誘導單個中心結構域的旋轉和結構域內轉移，從而導致由PCB95和Ca2+激活的RyR2離子通道的孔隙關閉。相比之下，由ATP、咖啡因和鈣離子激活的RyR2離子通道的孔隙在Ca2+-CaM存在下保持開放。這表明Ca2+-CaM是RyR2離子通道門控的多種競爭性調節物之一。