NALCN 离子通道及其复合体的结构与功能研究

NALCN channelsome is a new found protein complex, which plays a key role in determining the Basal excitability of the nervous systems through the resting 'leak' sodium permeability, and it is required for normal respiratory rhythm. NALCN itself is pseudo quartic symmetry protein assembled with four repeats in one peptide, this feature is similar with the voltage-gated sodium channels and calcium channels, and they belong to the same family, sodium/calcium channel family. NALCN channelsome mutations are related to a lot of diseases, such as CLIFAHDD syndrome, speech impairment and cognitive delay, cancer, epilepsy, autism, and schizophrenia. However, the pathogenesis and the activation and inhibition mechanism are unknown up to now, nevertheless the first drug targeted NALCN. Structural study of the NALCN channelsome is very necessary, and through the structural analysis, we can get the special features of NALCN for drug discovery and get the structural basis for why the mutations can cause diseases. In this project, we will focus on the structural investigation of NALCN alone and NALCN in complex with UNC80 and UNC79. In addition, we will also employ electrophysiology to study the ion selectivity and the gating mechanism. We hope to get some clues for the pathology and drug discovery.

NALCN离子通道复合体是一类新发现的蛋白，它是在静息状态下可渗透钠离子的通道蛋白，调节细胞的可兴奋性，并与正常的呼吸节律相关。NALCN单体是四次折叠假对称的离子通道，与电压门控钠通道和钙通道属于同一个家族。NALCN离子通道复合体的基因突变会导致很多人类疾病，例如CLIFAHDD的综合征，语言障碍及发育迟缓，癌症，癫痫，自闭症，以及精神分裂等。然而人们并不了解NALCN离子通道复合体的致病机理，也不了解它的激活和抑制机制，更没有找到药物针对NALCN进行疾病治疗。所以，NALCN离子通道复合体的结构生物学研究是非常必要的，科学家们需要通过结构分析NALCN的特性以及致病机理，并针对这些特性进行药物设计。本课题旨在解析NALCN单体，以及NALCN与UNC80，UNC79的复合体的结构，并用电生理的方法研究NALCN的离子选择性以及门控机制，以期为NALCN的病理学和药物研发找到线索。

营养物质的摄入以及代谢废物的排出是生命最基本的特征之一，钠离子、钾离子、钙离子以及氯离子的跨膜运输不但涉及到渗透压的平衡，而且被生命体应用于信号传导，神经活动以及肌肉收缩等过程中。这些离子的通道蛋白的结构生物学研究有着非常重要的意义，为离子通道蛋白突变引起的疾病，如偏头痛，癫痫，重症肌无力，心律失常，剧痛不止，疼痛不敏感、囊性纤维化等的治疗给出理论基础，为以这些通道蛋白为靶点的药物设计提供支持。据不完全统计，在FDA批准的药物中，一半以上直接与膜蛋白相互作用，其中总数的31%作用于GPCR（G蛋白偶联受体），约18%作用于离子通道蛋白。由此可见，离子通道蛋白的高分辨率结构的解析不仅可以为药物优化提供必要线索，而且可以为新药设计提供新的靶点和理论基础。本项目执行过程中发表Science文章1篇，解析了负责动作电位起始和延伸，会引起癫痫和惊厥，以及家族自闭的，存在人脑中的Nav1.2及其特异性毒素KIIIA的复合物结构，为特异性毒素的结合机制提供分子基础，为针对某一种压型的钠通道的药物设计提供思路；发表Nature文章1篇，解析了电压门控钙离子通道Cav3.1及其临床二期抗癫痫药物Z944的复合物结构，为先导化合物的结合和抑制机理提供了分子基础；发表Cell Discovery文章1篇，解析了全长的SLC26A9蛋白的结构，该蛋白涉及到囊性纤维化等疾病，我们解析了2.6埃的二结构，并在分析结构的过程中首次发现SLC26A9的C端序列结合在离子通路上，预测到C端对于SLC26A9的门控调节机制，并用电生理的方法对该机制进行了验证，该文章属于通过结构发现工作机制并用电生理手段来证实的一个典型，且该结构的解析为囊性纤维化的治疗和药物开发提供了模板。