清華大學生科院PNAS文章

　　來自清華大學生命科學學院，中科院上海藥物研究所等處的研究人員首次報道了一種具有陰離子選擇性的機械敏感性離子通道的晶體結構，對其功能特性和離子選擇機制進行了研究。

　　文章的通訊作者是清華大學生科院楊茂君研究員，以及上海藥物研究所李揚研究員。其中楊茂君研究員早年畢業于吉林大學生命科學院，2001年10月由于合作研究的需要進入清華大學饒子和院士實驗室從事結構生物學研究，2003年獲得理學博士學位。主要從事結構生物學領域的研究工作，2003年6月，在世界上第一個解析了SARS病毒主要蛋白酶的晶體結構，并且發現一種經過修飾的底物類似物可以有效地抑制這一蛋白酶的活性，為設計抗SARS的藥物打下了堅實的基礎。

　　當細胞和有機體受到環境中的機械力刺激時，機械力信號隨即轉化成生物信號，使細胞作出反應，這個過程稱為機械傳導，它被認為是最古老的感覺之一，是從細菌到人類所有活的有機體共有的特征。在機械信號傳導過程中，機械敏感性離子通道(Mechanosensitive channel，Msc)發揮了重要功能。這類通道廣泛存在于所有原核和真核細胞中，是地球上最古老以及最廣泛存在的生物膜上的孔洞。當細胞感受到機械刺激時，這類離子通道可以打開，使溶液中的某些離子被動地順著濃度梯度通過生物膜。在細菌等低等生物中，Msc作為細胞的應急開關，在環境滲透壓突然變化的時候調節細胞內外的滲透壓平衡，使它們適應在一定范圍內變化的滲透壓環境。在哺乳動物中，機械敏感性通道參與多種重要的生命過程，如細胞體積和形狀調控、組織生長和形態發生、聽覺和平衡感的產生、血壓和體液平衡、多精授精的防止等等。Msc的功能失常與神經和肌肉的退化，動脈硬化，高血壓，青光眼等疾病密切相關。然而目前對于這類通道的研究主要集中于其門控機制，作為離子通道研究的另一重點――其離子選擇機制卻一直沒有研究清楚。

　　這類通道的離子選擇性各不相同，而目前僅有的結構信息也只是針對無明顯選擇性的大腸桿菌的MscS。為了理解這類通道的離子選擇機制，楊茂君研究組克隆并檢測了 60多個物種的MscS的離子選擇性，最終成功鑒定到了一個具有強陰離子選擇性的通道蛋白。經過多年的不懈努力，該研究組解析了其晶體結構并對其離子選擇機制進行了研究。長久以來，基于對細菌MscS的研究，人們一直認為離子進入這類通道是通過位于其胞內區側面的7個孔洞(圖A)。然而，楊茂君研究組通過對晶體結構的分析發現，相比7個孔洞而言，位于該通道胞內區底部的β桶結構域很可能是更主要的離子入口(圖A)。令人驚奇的是，體內和體外的電生理實驗表明，將該通道和大腸桿菌MscS的β桶結構域互換之后，兩個通道的離子選擇性竟然也隨之互換，這充分驗證了他們之前的推測。通過進一步的突變體實驗，楊茂君研究組成功找到了該結構域介導離子選擇性的關鍵氨基酸殘基，進而提出了該通道的陰離子選擇機制模型(圖B)。

　　多年以來，離子通道的離子選擇機制一直是生物學的研究熱點。Roderick MacKinnon更是因為在鉀離子通道結構和機制研究中的杰出貢獻獲得了2003年的諾貝爾化學獎。相比之下，陰離子通道的離子選擇機制則一直存在爭議。楊茂君研究組在該工作中所取得的成果為理解陰離子如何被通道蛋白所選擇這一基本問題提供了新的視點，同時也為研究這類最古老的通道蛋白提供了新的思路。