L型电压门控钙通道对其钙依赖失活的自抑制

Voltage-gated ion calcium channels and related transmembrane calcium signaling play important roles in the function and development of neurons. We recently discovered that L-type calcium channels can autonomously suppress calcium dependent inactivation (CDI), the key regulatory mechanism of calcium influx, by preventing calmodulin from binding to the channel. Based on this autoinhibition of CDI (ICDI), a series of specific modulators of L-type calcium channels are proposed to bidirectionally tune CDI as well as the corresponding calcium influx. Such engineered peptide modulators with high specificity and efficacy will be applied to diverse experimental settings of recombinant channels, cultured cortical neurons, and live mice, to analyze the structure-function relationship of autoinihibitory machinery across L-type calcium channel family in details. Meanwhile, the unique role of L-type calcium channels in neuronal pathophysiology is to be established with the aid of peptide modulators, so that potential therapeutics for neurodegenerative diseases, especially for Alzheimer's, can be derived from this study.

电压门控钙通道及相关跨膜钙信号对于神经元发育及功能至关重要。依据申请人新近发现的钙通道自抑制新通路：L型钙通道能够抑制钙调素与之结合进而调控钙依赖失活，本课题提出构建一系列特异性通道调制因子，可显著减弱或增强L型钙通道的钙依赖失活强度，从而实现对跨膜钙信号的双向调控。基于上述高功效、高选择性的生物工程系列多肽，以及体外重组表达钙通道、原代培养神经元以及活体小鼠等多层次实验体系，本课题将深入分析L型钙通道家族自抑制机制的结构-功能关系；同时力图揭示L型钙通道及其钙依赖失活在神经元发育和退行性疾病中的特殊重要性，以期最终为治疗阿尔茨海默氏症等疾病提供潜在的新方案。

L型电压门控钙通道（CaV1通道）在神经系统中广泛表达并直接参与钙动态及基因表达等重要生物学过程。CaV1通道碳末端（C-terminus）是多种信号分子及下游蛋白的结合靶点，同时也是通道自身门控调控域。研究CaV1碳末端对通道门控和相关信号通路的影响对CaV1相关病生理具有重要意义。.钙依赖失活（Ca2+ dependent inactivation，CDI）是CaV1通道的重要门控特性，由细胞中广泛存在的重要钙信号蛋白钙调素（calmodulin）所介导。本课题研究发现，CaV1通道IQV、PCRD和DCRD三结构域协同介导碳末端抑制作用（C-terminus mediated inhibition，CMI），并使得通道钙电流趋同于CDI末期电流。三结构域中任意两者形成空间紧密联系后（例如通过融合等方式），可与第三者构成紧密复合体结构，对内源性CaM形成拮抗作用，从而影响通道门控。利用雷帕霉素介导的异源二聚作用，我们构建了急性化学诱导的碳末端抑制过程，并发现这一抑制过程中峰值电流不断降低，失活末期电流不变。在CMI作用下，通道整体钙内流受抑制，并伴随失活特性的改变。对于神经元CaV1通道， 其CMI门控状态也直接调控下游pCREB信号通路和神经元发育，这一发现对CaV1通道相关的药物开发也具有重要指导意义。.另一方面，CaM通过与碳末端竞争结合通道密切参与通道调控，因此CaM异常也会引起通道门控特性的变化。神经科学中广泛应用的钙指示剂GCaMP中就含有异常的CaM，与通道碳末端竞争结合IQV结构域从而影响通道门控特性，并伴随着下游信号通路和神经元发育形态的变化。利用CaM螯合多肽保护GCaMP后，可以有效消除GCaMP引起的负面影响。.此外，考察了CMI与通道核心电压门控机制的关联。对比分析了DCT介导的CMI与IVS3-S4连接襻对电压依赖性激活的调控。.综上，我们的研究揭示了CaV1通道碳末端对于通道的门控、信号及其耦合所具有的重要作用，直接指导了新型研究工具的开发，也为疾病干预提供了新思路。