Ranodine受体的结构及与调节因子的相互作用-北京大学单分子与.PDF

Ryanodine 受体的三维结构及其调节因子的作用位点 北京大学医学部生物物理系 汪国良 摘要：RyR 作为一种钙离子释放通道，是目前已知分子量最大的离子通道。它在 体内的信号转导通路（如：骨骼肌的兴奋收缩藕联）中发挥重要作用。冷冻电子 显微镜和三维图像重组技术的发展，使其成为研究 RyR 等生物大分子结构的有效 工具。三维重组图像显示 RyR 由两部分组成：一个较大的四重对称的棱柱状胞内 复合体和一个较小的跨膜复合体。FKBP12 、CaCM 和 IpTXa 是目前已知的 RyR 的 三种调节因子，对其与 RyR 的相互作用位点的研究，可进一步揭示 RyR 的结构信 息。 关键词：RyR 胞内复合体 跨膜复合体 FKBP12 、CaCM IpTXa RyR （Ryanodine receptor ）是一种钙离子释放通道，由于和植物碱-Ryanodine 呈高亲和力的结合，并受其调节而得名。根据不同的组织分布和药理学作用，RyR 可以分为三类：RyR 1、RyR2 、RyR3[1] 。由于目前对RyR 1 结构的研究较多，本篇 叙述以 RyR 1 为主。 RyR 1 位于骨骼肌细胞内肌浆网膜 （SR）上，在骨骼肌的兴奋——收缩藕联机 制中发挥重要作用。该机制目前尚未完全明了，其过程为：运动神经兴奋激发骨 骼肌细胞膜去极化，T管上的电压感受器兴奋，将信号传导至肌浆网，肌浆网内Ca2+ 释放，引起肌肉收缩。T管是由骨骼肌细胞膜内陷而形成的管状结构，与肌浆网上 携带有RyR 1 及其他蛋白的特定区域相连接，共同组成三联管区（Triad ），也即兴 奋——收缩藕联发生的部位。 电镜下观察骨骼肌薄层切片显示 RyR 1 是位于T管和SR之间的矩形密度区；对 T管的冷冻切片观察发现在可能与 RyR 1 相互作用的位点上有小的四方形排列的 突起[2]，与 RyR 1 在SR连接面上形成的格子结构相匹配[3]。现已证明该突起是起 电压感受器作用的二氢吡啶受体(DHPR)[1] 。DHPR和 RyR 1 之间可能存在直接接 触[4]。研究还发现DHPR和 RyR 1 并非一一对应，而是每隔一个RyR有一个DHPR 与其对应。未与DHPR相互作用的RyR通过和已与DHPR相互作用的RyR发生联系， 协同介导Ca2+ 的释放。FKBP—12 在RyR- RyR之间的相互作用上其重要作用[3]。 RyR 由于其分子量巨大 （2.3KDa ）和作为膜蛋白难以形成规则晶体的特性，使 1 得 X-射线晶体学和核磁共振技术在目前均很难获得高分辨率的结构图像。而冷冻 电子显微镜和三维图像重组技术的发展：①未经染色的样品能够在冰冻含水的状 态下高保真天然结构的成像；②设计用来分析非晶体样品和单粒子的计算机图像 处理技术，使其成为解析 RyR 结构的有力工具[1]。Radermacher 等于 1994 年使用 此技术获得离体 RyR 的三位重组图像[5]；最近使用该技术对 RyR 与其调节因子相 互作用的研究进一步加深了对 RyR 结构的认识。使用此技术解析样品时，对具有 规则晶体结构的样品，分辨率可以达到低于 0.3nm;而非晶体结构的样品的分辨率 多在 2—4nm 之间。因此要想使 RyR 三维重组图像的分辨率提高，就需要培养出 规则的 RyR 二维晶体[6]。 第一个离体的 RyR 三维结构于 1989 年被 Wagenknecht 等用单粒子的方法分析 负染样品的电镜图像而得到。Radermacher 等于 1994 年使用冷冻含水处理样品的 方法进一步提高了分辨率。两者重组的 RyR 的三维结构图像都显示RyR 由两部分 组成，包括一个较大的疏松多孔的四重对称棱柱状胞内复合体（约占总质量的 80% ）和一个较小更为紧凑的跨膜复合体 （约占总质量的20% ）；FKBP—12 在 RyR 的分离提纯的过程中仍与RyR 结合，所以认为是其结构的一部分[5]。 胞内复合体是由四重对称的 4 个大的多肽亚单位组成的疏松多孔的四方棱柱 状（28×28×12nm ）结构, 跨膜复合体与胞内复合体肌浆网面的中心部分相联。胞 内复合体最显著的特征可能就是，在溶液状态，超过整个体积的 50%为溶液占据。 组成胞内复合体的蛋白质由球状部分通过多肽链相互连接而成，