从PNAS到Nature／Cell子刊颜宁等团队连发5篇！

　　背根神经节局部电压门控钠 (Nav) 通道 Nav1.8 代表了开发下一代镇痛药的有希望的靶标。Nav1.8 的一个突出特点是需要更多的去极化膜电位来激活。

　　2022年7月19日，原清华大学/普林斯顿大学颜宁及清华大学潘孝敬共同通讯在PNAS在线发表题为“Structural basis for high-voltage activation and subtype-specific inhibition of human Nav1.8”的研究论文，该研究报告了全长人类 Nav1.8 的结构并与 A-803467 结合的结构。第一个电压感应域 (VSDI) 显示三种不同的构象。结构引导诱变确定了 VSDI 和孔域 (PD) 之间的细胞外界面是激活的高压依赖性的决定因素。

　　A-803467 在 PD 的中央腔内清晰地解决，握紧 S6IV。结构引导功能表征表明，两个非配体结合残基，S6I 上的 Thr397 和 S6III 上的 Gly1406，变构调节通道对 A-803467 的敏感性。人类Nav 通道可用结构的比较表明，细胞外环区域是开发亚型特异性孔阻塞生物制剂的潜在位点。总之，该研究的结构和功能分析为 Nav1.8 独特的生物物理特性的分子基础提供了重要的见解，并作为未来研究的框架。

　　另外，2022年5月13日，清华大学闫创业及普林斯顿大学颜宁共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Cryo-EM structure of human glucose transporter GLUT4”的研究论文，该研究报告了在洗涤剂胶束和脂质纳米圆盘中以 3.3 Å 的分辨率与小分子抑制剂细胞松弛素 B (CCB) 结合的人 GLUT4 的冷冻电镜结构。CCB 结合的 GLUT4 表现出向内开放的构象。 尽管跨膜结构域与 GLUT1 的构象几乎相同，但冷冻电镜结构揭示了一个细胞外糖基化位点和一个在 GLUT1 的晶体结构中不可见的细胞内螺旋。这里介绍的结构研究为进一步研究 GLUT4 运输的调节机制奠定了基础。该研究对 GLUT4 进行冷冻 EM 分析的方法也将有助于许多其他小尺寸溶质载体的结构测定。

　　2022年5月12日，普林斯顿大学颜宁及清华大学Jiang Xin共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Molecular basis for inhibiting human glucose transporters by exofacial inhibitors”的研究论文，该研究报告了一种 GLUT3 变体的工程，称为 GLUT3exo，可用于筛选和验证外表面抑制剂。该研究鉴定了一种外表面 GLUT3 抑制剂 SA47，并通过 SA47 结合的 GLUT3 的 2.3 Å 分辨率晶体结构阐明其作用方式。该研究为发现用于治疗开发的 GLUTs 表面抑制剂提供了一个框架。

　　2022年4月26日，普林斯顿大学颜宁及西湖大学申怀宗共同通讯在Cell Reports 在线发表题为”High-resolution structures of human Nav1.7 reveal gating modulation through α-π helical transition of S6IV“的研究论文，该研究报告了与 β1 和 β2 亚基复合的野生型 (WT) Nav1.7 的 2.2-Å 分辨率冷冻电镜结构，揭示了几个以前难以辨认的胞质片段。 重新处理报告的与各种毒素结合的 Nav1.7（E406K）结构的冷冻 EM 数据确定了 S6IV 的两种不同构象，一种仅由 α 螺旋转角组成，另一种在中间包含 π 螺旋转角。在 3.5-Å 分辨率下测定的无配体 Nav1.7(E406K) 的结构与 WT 通道相同，证实了 Huwentoxin IV 或 Protoxin II 与 VSDII 的结合变构诱导了 S6IV 的 α → π 转变。这种局部二级结构转变对孔域 (PD) 门控具有重大影响，并重塑了快速失活基序 Ile/Phe/Mel (IFM) 的适应位点。人类野生型Nav1.7 的高分辨率结构为有助于药物发现的进一步生物物理和计算分析提供了准确的模板。肽门控修饰毒素 (GMTs) 结合后的构象变化揭示了 GMT 对孔门控的变构调节的机制理解。

　　2022年4月27日，普林斯顿大学颜宁团队在Cell Research 在线发表题为”Structural basis for pore blockade of human voltage-gated calcium channel Cav1.3 by motion sickness drug cinnarizine“的研究论文，该研究发现与桂利嗪（cinnarizine ）结合的人 Cav1.3 通道的结构揭示了晕动病药物对 LTCC 的直接孔隙阻断。桂利嗪结合位点的局部结构变化导致随后的螺旋段发生轴向旋转。S6III中门控残基定位螺旋转角的α→π跃迁进一步收缩了离子渗透孔。这里显示的结构以及之前的研究揭示了不同 Cav 通道调节剂 MOA 的分子细节，并为结构辅助药物发现奠定了基础。

　　电压门控钠 (Nav) 通道控制神经元和肌肉中的膜兴奋性。尽管序列和结构高度相似，但不同的Nav通道亚型具有特定的组织分布和不同的电压依赖性以及激活、失活和恢复的动力学。在9个哺乳动物 Nav 通道中，Nav1.8 是一种由 SCN10A 编码的河豚毒素 (TTX) 抗性亚型，主要在感觉神经元中表达，例如背根神经节 (DRG) 神经元。与其他 Nav 亚型相比，Nav1.8 具有几个独特的生物物理特性，例如在更去极化的电压下激活和在持续电流下更慢的失活，这使得 DRG 神经元的过度兴奋成为可能。

　　Nav1.8 在痛觉中起作用。在疼痛性小纤维神经病变患者中发现了 Nav1.8 的促兴奋性突变。另一方面，一种自然变体 A1073V 将激活的电压依赖性转移到更去极化的方向似乎可以改善疼痛症状。因此，外周 Nav1.8 的特异性抑制代表了开发非成瘾性止痛药的潜在策略。

　　几种 Nav1.8 选择性阻断剂，如 VX-150 和 PF-06305591，已在临床试验中进行了测试。然而，大多数候选药物由于各种原因未能达到 II 期试验的终点，例如疗效或选择性不理想。Nav1.8 与先导化合物结合的结构将有助于优化药物以提高效力和选择性。研究人员专注于 A-803467，一种 Nav1.8 选择性阻断剂，用于结构分析。A-803467 在静息状态和失活状态下均能抑制 Nav1.8。尽管不同组测量的浓度范围很广，从几纳摩尔到 1 μM 的反应抑制了 50% (IC50)，但 A-803467 始终显示出对灭活通道的更高亲和力。

与选择性阻断剂 A-803467 结合的人 Nav1.8 的冷冻电镜分析（图源自PNAS ）

　　在这项研究中，单独报告了全长人类 Nav1.8 的结构并与 A-803467 结合的结构。基于结构和电生理学特征，试图解决两个问题：Nav1.8 高压激活的基础是什么，以及是什么决定了 A-803467 的亚型特异性？

　　与报道的真核 Nav 通道结构不同，其中第一个电压感应域 (VSDI) 在一个稳定的构象中得到很好的分辨，在 Nav1.8 的冷冻电镜图中观察到不同的 VSDI 构象。 VSDI 和孔域之间的细胞外界面被确定为 Nav1.8 对更高电压激活的依赖性的决定因素。A-803467 在中央空腔内握紧 S6IV。出乎意料的是，A-803467 的通道选择性是由非配体配位残基通过变构机制决定的。总之，该研究的结构和功能分析为 Nav1.8 独特的生物物理特性的分子基础提供了重要的见解，并作为未来研究的框架。