我國(guó)科學(xué)家揭示鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)RyR2受體機(jī)制

心肌收縮是由鈣離子流入細(xì)胞質(zhì)觸發(fā)的，最初是由Cav1.2介導(dǎo)的細(xì)胞外環(huán)境中的鈣離子流入觸發(fā)的，隨后是由蘭尼堿受體2（ryanodine receptor 2, RyR2）介導(dǎo)的肌漿網(wǎng)鈣庫(kù)中的鈣離子流入觸發(fā)的。蘭尼堿受體是已知**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(jié)構(gòu)域的細(xì)胞質(zhì)組裝體，可感知與各種調(diào)節(jié)物（從離子到蛋白）之間的相互作用。對(duì)RyR2活性的精確調(diào)控對(duì)于每次心跳都是至關(guān)重要的。異常的RyR2活性與危及生命的心律失常相關(guān)。

分子量為17kDa的鈣調(diào)蛋白（CaM）是一種重要的鈣傳感器，在大多數(shù)鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件中起著重要作用。CaM由大致對(duì)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(gè)末端葉能夠通過(guò)兩個(gè)EF-手（螺旋E-手和螺旋F-手）基序協(xié)同性地結(jié)合兩個(gè)鈣離子，結(jié)合親和力在微摩爾范圍內(nèi)。在鈣離子結(jié)合后，兩個(gè)末端葉中的幾個(gè)疏水性氨基酸殘基的暴露促進(jìn)CaM與靶序列的結(jié)合。CaM與蘭尼堿受體直接相互作用，CaM-RyR原聚體的化學(xué)計(jì)量比為1：1，結(jié)合親和力在納摩爾范圍內(nèi)。

然而，CaM對(duì)蘭尼堿受體的調(diào)節(jié)是異構(gòu)型特異性的。CaM顯示出對(duì)RyR1的雙相調(diào)節(jié)，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(fā)揮作用。相反，apo-CaM對(duì)RyR2沒(méi)有影響或抑制作用，而Ca2+-CaM抑制RyR2。

CaM還經(jīng)證實(shí)有助于終止鈣庫(kù)過(guò)載誘導(dǎo)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(guān)，并且對(duì)受損的CaM-RyR2相互作用進(jìn)行校正可能作為一種治療壓力負(fù)荷性心力衰竭（pressure-overload-induced heart failure）中致死性心律失常的方法。

對(duì)RyR-CaM復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表征受限于低分辨率的電子顯微鏡圖，現(xiàn)有的電子顯微鏡圖表明apo-CaM和Ca2+-CaM在RyR1中存在兩個(gè)重疊但不同的結(jié)合位點(diǎn)。一種對(duì)應(yīng)于RyR1的氨基酸殘基3614-3643（RyR2的中心結(jié)構(gòu)域中的氨基酸殘基3581-3612）的肽結(jié)合apo-CaM和Ca2+-CaM。與這種肽結(jié)合在一起時(shí)的Ca2+-CaM的晶體結(jié)構(gòu)揭示出這種肽的N末端和C末端的疏水性錨點(diǎn)分別容納Ca2+-CaM的C-葉和N-葉。

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自為了闡明CaM對(duì)RyR2的調(diào)節(jié)，來(lái)自中國(guó)清華大學(xué)和加拿大卡爾加里大學(xué)的研究人員報(bào)道了RyR2的低溫電鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)，它們共同地揭示了不同形式的CaM對(duì)分子識(shí)別特征，并針對(duì)CaM對(duì)RyR2通道門控的調(diào)節(jié)提供了新的見(jiàn)解。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Modulation of cardiac ryanodine receptor 2 by calmodulin”。

這些研究人員通過(guò)解析出RyR2在8種條件下的結(jié)構(gòu)，揭示出人CaM對(duì)豬RyR2的調(diào)控機(jī)制。apo-CaM和Ca2+-CaM結(jié)合在一個(gè)由手柄、螺旋和中心結(jié)構(gòu)域形成的狹長(zhǎng)裂縫中，但是它們的結(jié)合位點(diǎn)是不同的，但存在一定的重疊。RyR2上的CaM結(jié)合位點(diǎn)轉(zhuǎn)移是由鈣離子結(jié)合到CaM而不是RyR2上來(lái)控制的。Ca2+-CaM誘導(dǎo)單個(gè)中心結(jié)構(gòu)域的旋轉(zhuǎn)和結(jié)構(gòu)域內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致由PCB95和Ca2+激活的RyR2離子通道的孔隙關(guān)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(kāi)放。這表明Ca2+-CaM是RyR2離子通道門控的多種競(jìng)爭(zhēng)性調(diào)節(jié)物之一。