心律不齊作為常見的心血管疾病,多發(fā)于老年人群。然而，伴隨著生活方式的轉(zhuǎn)變，中青年人群的患病幾率也越來越大。

當(dāng)我們的心臟跳動時，心肌細胞的收縮與舒張依靠一種微小但卻十分精細的電信號來控制，在細胞內(nèi)部和細胞之間有著鈉、鉀、鈣等離子通道，當(dāng)這些通道發(fā)生故障時，就會導(dǎo)致心臟不規(guī)則跳動。

近日，中國科學(xué)院物理研究所與美國華盛頓大學(xué)合作發(fā)表于《細胞》的一項研究，解析了鈉通道突變體Na_V1.5/QQQ處于開放狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了抗心律不齊藥物普羅帕酮（Propafenone）與開放狀態(tài)鈉通道的結(jié)合位點。這將為開發(fā)新的抗心律不齊藥物提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

心臟跳動，離不開Na_v1.5

電壓門控離子通道在人體眾多生理過程中扮演著重要角色，如基因表達、神經(jīng)信號傳遞、肌肉收縮、神經(jīng)退行性疾病、心臟病、精神疾病等。離子通道蛋白是目前僅次于GPCR（G蛋白偶聯(lián)受體）的第二大藥物治療靶點。

鈉離子參與著心臟跳動、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控、肌肉收縮等生理過程。電壓門控鈉離子通道（Na_v）蛋白家族包括9個成員，即Na_v1.1-1.9，這些成員的序列相似，同時具有組織特異性，Na_v1.1-1.3主要分布在人體的大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，Na_v1.4分布在骨骼肌中，Na_v1.5分布在心臟中，Na_v1.6-1.9分布在周邊神經(jīng)系統(tǒng)中。

當(dāng)心肌細胞的膜電位發(fā)生變化時，Na_v1.5會被立即激活，開啟通道閘門，以便使Na⁺順利從細胞膜外進入膜內(nèi)，此時，Na_v處于開放態(tài)。當(dāng)一定量的Na⁺進入膜內(nèi)后，產(chǎn)生了新的動作電位，心肌細胞收縮。為了避免因過多Na⁺內(nèi)流造成細胞受傷，Na_v會隨即關(guān)閉，進入失活態(tài)。至此，就完成了一次信號傳遞，也就完成了一次心臟跳動。

近年來，中國科學(xué)院物理研究所特聘研究員姜道華一直致力于解析Na_v1.5的結(jié)構(gòu)及其與臨床藥物分子的相互作用，2020年，尚在美國華盛頓大學(xué)做博士后的他曾和合作者一起，解析了心肌細胞Na_V1.5在失活態(tài)的結(jié)構(gòu)。

捕捉5毫秒的狀態(tài)

雖然目前已有如利多卡因、氟卡尼和奎尼丁等抗心律不齊藥物，臨床上已應(yīng)用了十幾年，其效果也比較顯著。但一個關(guān)鍵問題是，這些藥物都有副作用。

“由于Na_v的9個成員序列的相似性，當(dāng)治療藥物作用于Na_v1.5時，往往也會對其他成員造成影響，這就不可避免地帶來惡心、暈厥等副作用。因此，大家希望能設(shè)計出有定向選擇性的藥物小分子，只對Na_v1.5起作用。”姜道華告訴《中國科學(xué)報》，因此，解析其在不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，能夠為設(shè)計藥物的提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

據(jù)了解，對于心臟中Na_v1.5而言，每次激活之后的開放狀態(tài)僅僅維持5毫秒左右，是一個非常難以捕捉的狀態(tài)。

如何才能抓住這一瞬間的動態(tài)并將其展示出來呢？

研究結(jié)果表明，在Nav1.5關(guān)閉時，需要一個名為IFM motif的結(jié)構(gòu)域的幫助，IFM motif像一個塞子一樣，堵在了通道上，以阻隔離子的傳輸。

“利用點突變的方法，我們將IFM motif突變成氨基酸QQQ，形成IFM/QQQ突變體后，它便無法發(fā)揮‘塞子’的功能，如此一來，Na_v1.5便能一直保持開放狀態(tài)?！苯廊A說。

但很快，研究人員們又遇到了新的問題：Na_v一直保持開放狀態(tài)，Na⁺就源源不斷地從膜外進入細胞內(nèi)，還沒等結(jié)構(gòu)被純化出，細胞就會因Na⁺濃度過高而死。

“這里就用到了抗心律不齊的藥物小分子，通過反復(fù)篩選，我們發(fā)現(xiàn)，普羅帕酮作為阻斷劑被作用于Na_v1.5時，能夠有效緩解細胞毒性?！苯廊A說。

他介紹，“隨后，我們利用冷凍電鏡解析了3.4埃分辨率的開放態(tài)鈉通道的結(jié)構(gòu)，從原子水平上揭示了鈉通道快速打開、快速失活和開放態(tài)阻斷的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?！?/p>

助力抗心律不齊藥物研發(fā)

三維重構(gòu)圖顯示，Na_v1.5的四個亞基相互交疊，組成了一個近似長方體的中央通道，當(dāng)它處于開放態(tài)時，四個亞基分別向外移動0.6納米的距離，即一根頭發(fā)絲的約1/80000。而當(dāng)通道關(guān)閉時，四個亞基又恢復(fù)原位。

“鈉離子通道真是非常非常精巧，只需要小小的移動，便可完成從開放狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)的切換?！苯廊A說，我們還發(fā)現(xiàn)，抗心律不齊藥物普羅帕酮可以穿過開放狀態(tài)下Na_V1.5的激活開口，到達中央通道的高親和力結(jié)合位點，特異性地阻斷Na_V1.5。

而后的電生理實驗進一步證實，普羅帕酮是一種開放狀態(tài)的阻斷劑。

“這項研究通過巧妙的設(shè)計將通道定格在‘開放狀態(tài)’這一瞬間狀態(tài)，并利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段首次揭示了真核鈉離子通道開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特點。這項工作不僅僅加深了我們對包括Na_v通道門控機制的理解，同時開放狀態(tài)的結(jié)構(gòu)也將極大的助力鈉離子通道相關(guān)的藥物的研發(fā)工作?！敝袊茖W(xué)院生物物理研究所研究員趙巖評價說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.021

來源：《細胞》