钠钙交换体离子转运机制的结构和功能研究

Sodium/calcium exchanger (NCX) is a secondary active transporter that translocates calcium across membrane against its electrochemical gradient utilizing the downhill electrochemical gradient of sodium. As an essential player of calcium signaling pathway, NCX is actively involved in a variety of physiological functions including cardiac excitation-contraction coupling, phototransduction of photoreceptor cells and control of neurosecretion. In particular, NCX plays a critical role in cardiac excitation-contraction coupling by participation in the deliberate control of a calcium transient. Under many pathophysiological conditions, the dysfunction or abnormal expression of NCX leads to cardiac arrhythmias and heart failure. The functional diversity of a NCX is closely correlated to the features of a sodium calcium exchange process. These features include the cooperativity, varied stoichiometries (2Na+:1Ca2+ to 4Na+:1Ca2+) and bidirectionality. Despite studies on NCX for a half-century, the lack of structural information impeded the comprehension of its transport mechanism. In this project, we will apply X-ray crystallography, in combination with eletrophysiological assays, to provide critical insights into sodium calcium exchange mechanism. This work will also pave the way for therapeutic intervention involving the dysfunction of NCXs.

钠钙交换体（NCX）是位于细胞膜上的一类继发性主动转运蛋白，通常利用跨膜的钠离子电化学势将钙离子逆其电化学势跨膜转运。作为钙信号通路中重要一员，NCX参与众多的生理功能，例如：心肌细胞的兴奋收缩偶联、感光细胞的光传导和神经递质的释放控制等。特别地，由于参加钙瞬变的精密调控，NCX在心脏的兴奋收缩偶联过程中起关键作用。在病理生理条件下，NCX的活性或蛋白表达失调可以导致心衰和心律失常。NCX在生理活动中的功能多样性与钠钙离子交换反应的许多特性密切联系。这些特性包括：协同性，可变的化学计量学（2Na+:1Ca2+到4Na+:1Ca2+），双向性等。尽管NCX已经被研究了半个世纪，但结构信息的缺乏阻碍了人们对它转运机制的理解。本项目计划以蛋白质晶体学为主要手段，与各种电生理功能分析相结合，力图阐明NCX的离子交换机制，并为NCX靶向治疗干预铺路。

钠钙交换体是位于细胞膜上的一类继发性主动转运蛋白，通常利用跨膜的钠离子电化学势将钙离子逆其电化学势跨膜转运。由于参加钙瞬变的精密调控，NCX在肌肉和神经组织的钙信号转导中起关键作用。NCX的活性失调与心律失常和脑缺血密切相关。NCX介导的钠钙交换的特点是多个钠离子协作转运一个钙离子。该特性是其底物选择性和钠钙交换的能量耦合机制的具体表现。通过解析Methanococcus jannaschii的NCX(NCX_Mj)的一系列三维结构，我们发现钠离子依次与多个钠离子结合位点结合，同时改变了离子结合位点和参与离子结合位点构建的跨膜螺旋的构象。上述改变不但削弱了钙离子与其结合位点的结合力，而且促使蛋白从朝胞外开放的构象转变为向两端阻塞的构象。.NCX_Mj离子转运的turnover rate低，不能用传统的Patch-clamp研究电生理特性。我们与德国Nanion公司合作，利用固相膜支持（SSM）的电生理技术发现，NCX_Mj对钠离子的选择性高，对钙的选择性低。其它的许多电生理特性与哺乳动物细胞的NCX1相似。该研究表明，基于SSM的电生理技术可以作为Patch-clamp以外的方法研究其他继发性主动转运蛋白的电生理活性。总之，我们的研究结果为理解NCX的分子机理奠定了极其重要的结构生物学和功能基础。