會(huì)員動(dòng)態(tài)
孫飛研究組與合作者共同揭示骨骼肌三聯(lián)體介導(dǎo)興奮-收縮偶聯(lián)過程的原位結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
2024年3月20日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所孫飛研究組和大連化學(xué)物理研究所李國(guó)輝研究組在《Science Advances》雜志發(fā)表題為“In situ structural insights into the excitation-contraction coupling mechanism of skeletal muscle”的研究論文，該論文揭示了高等哺乳動(dòng)物骨骼肌三聯(lián)體介導(dǎo)興奮-收縮偶聯(lián)過程的原位結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
在生物體內(nèi)，骨骼肌的收縮與舒張是受神經(jīng)系統(tǒng)控制的。神經(jīng)系統(tǒng)傳遞來的化學(xué)信號(hào)經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變與傳遞過程最后形成肌肉的機(jī)械收縮行為，這個(gè)過程被稱為興奮-收縮偶聯(lián)。在骨骼肌中，肌細(xì)胞的細(xì)胞膜會(huì)內(nèi)陷形成長(zhǎng)而窄的膜性細(xì)管--橫管，而橫管通常會(huì)被兩側(cè)的終池夾在中間形成一種特殊的緊密結(jié)構(gòu)稱為三聯(lián)體。在興奮-收縮偶聯(lián)過程中，橫管膜上的二氫吡啶受體（dihydropyridine receptors，DHPR）負(fù)責(zé)感受沿著橫管傳遞到肌細(xì)胞深處的電興奮，并將信號(hào)傳遞給肌漿網(wǎng)膜上的鈣離子通道蛋白--1型蘭尼堿受體（ryanodine receptors type 1，RyR1），繼而由RyR1釋放出肌漿網(wǎng)中儲(chǔ)存的鈣離子；之后，鈣離子會(huì)充當(dāng)信號(hào)調(diào)控粗、細(xì)肌絲之間的相對(duì)滑動(dòng)，引起肌肉的收縮與舒張。由此可知，三聯(lián)體上的RyR1是整個(gè)興奮-收縮偶聯(lián)過程中傳遞興奮信號(hào)的重要元件。2015年，顏寧研究組、施一公研究組與英國(guó)MRC的Sjors Scheres研究組合作，成功解析了兔源RyR1蛋白與其抑制蛋白FK506結(jié)合蛋白12（FKBP12）的復(fù)合體的3.8 ?高分辨率三維結(jié)構(gòu)。2016年，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部的尹長(zhǎng)城研究組和孫飛研究組合作，在RyR1關(guān)閉態(tài)的基礎(chǔ)上解析了鈣離子激活的RyR1開放態(tài)4.2 ?分辨率的結(jié)構(gòu)。然而，盡管 RyR1的高分辨率結(jié)構(gòu)已經(jīng)被解析，仍有一系列關(guān)于 RyR1功能的重要科學(xué)問題未被解決，包括 RyR1 在肌肉組織三聯(lián)體中如何分布、如何發(fā)揮上下游信號(hào)傳遞作用、如何產(chǎn)生信號(hào)的協(xié)同效應(yīng)等。尤其是關(guān)于RyR1與DHPR之間的作用方式，盡管研究者推測(cè)骨骼肌中的RyR1與DHPR之間存在緊密、直接的物理偶聯(lián)，但該假說目前仍然缺少直接性的證據(jù)。
在該研究中，孫飛研究組基于前期工作基礎(chǔ)，進(jìn)一步結(jié)合組織原位制樣方法和冷凍電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)，系統(tǒng)性地表征了骨骼肌中三聯(lián)體的精細(xì)原位結(jié)構(gòu)。其中包括：解析了RyR1在骨骼肌16.7 ?分辨率的原位結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在原位環(huán)境下RyR1與FKBP12和鈣調(diào)蛋白（Calmodulin，CaM）緊密結(jié)合；解析了RyR1-DHPR超級(jí)復(fù)合體的原位結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了兩處連接密度，證實(shí)了RyR1與DHPR之間存在物理相互作用；發(fā)現(xiàn)RyR1在骨骼肌原位的“右手”對(duì)角鑲嵌排列模式，四個(gè)DHPR形成的四聯(lián)體以1：2的比例與RyR1結(jié)合；通過分子動(dòng)力學(xué)模擬證明RyR1的“右手”對(duì)角鑲嵌排列對(duì)于其協(xié)同鈣釋放的必要性，解釋了相關(guān)遺傳病理數(shù)據(jù)。這些研究結(jié)果為RyR1和DHPR之間的物理偶聯(lián)提供了關(guān)鍵證據(jù)，為深入了解骨骼肌中的興奮-收縮偶聯(lián)分子機(jī)制提供了重要線索。
圖. 小鼠骨骼肌三聯(lián)體精細(xì)原位結(jié)構(gòu)
中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所孫飛研究員、朱赟研究員與大連化學(xué)物理研究所的李國(guó)輝研究員為本文的通訊作者。孫飛研究組已畢業(yè)的博士研究生徐嘉樹、李國(guó)輝研究組的副研究員廖晨伊為本文的共同第一作者。北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部的尹長(zhǎng)城教授為本研究提供了重要指導(dǎo)。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等項(xiàng)目的資助。樣品制備、數(shù)據(jù)收集等工作得到了生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)生物成像中心相關(guān)工作人員的大力支持和幫助。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl1126
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（供稿：孫飛研究組）
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