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CLC氯离子通道是一个广泛分布于从细菌到人类的各种生物,各类组织细胞的离子通道和转运蛋白家族。作为肌肉型CLC通道的代表,hClC-1仅存在于骨骼肌细胞中,起着稳定细胞膜静息电位,调节细胞电兴奋性的重要作用。
鉴于CLC通道蛋白家族各成员之间的高度同源性,细菌EcCLC和StCLC的三维晶体结构一直是人们对hClC-1结构认知的模型和基础。但是hClC-1具有细菌CLC蛋白所缺失的胞浆内C-末端尾部结构,长达398个氨基酸并包含两个CBS结构域(CBS1和CBS2)。各种突变研究显示这一胞内结构域对于CLC通道的功能起着举足轻重的作用,但其发挥功能的具体机制尚未可知。本实验通过删除扫描突变(deletion-scanning mutagerlesis),分离通道策略(split channel),膜片钳电生理技术(patch clamping)及GST-Pulldown法研究此C-末端的作用机制。结果显示,分离通道N<,1-720>(包含CBS1)与C<,721-988>(包含CBS2)之间的功能互补是通过CBS1和CBS2之间的相互作用实现的,而非依赖于任何一个功能性短肽片段(800-806),(807-813)或(863-888)。更有趣的是,排除了两个互补片段之间CBS1与CBS2之间的相互作用之后,不包含任何CBS结构域的N-末端突变体N<,1-720△>(CBS1)仍然可以与含有两个CBS结构域的整个C-末端片段C<,598-988>相互作用并实现通道功能的重建。因此,就hClC-1整体而言,CBS1与CBS2之间的相互作用可能是尾部与跨膜结构域相互作用的一个结构基础,但不是全部;还存在着特定的一个(或几个)区域,通过与跨膜部分内的一个(或几个)区域相互作用而重建和实现共同门控机制。
作为上述相互作用的可能靶点之一,位于胞浆侧的相邻跨膜螺旋之间的环区(loops)在hClC-1通道中的作用迄今为止还是一个空白的研究领域。本研究通过丙氨酸扫描突变(alanine-scanning mutagenesis),GST-Pulldown和膜片钳实验发现,ImopDE(199-206),Loop FG(251-261),LoOp HI(293-300)和Loop JK(380-385)中的任何一个环区都不是C-末端尾部与跨膜结构域相互作用的唯一靶点,但是它们对于hClC-1正常功能的实现起着举足轻重的作用。例如,LoopDE的突变会导致通道电流的完全缺失,LoopHI的突变导致单孔门控(protoporegating)的开放几率(P<,o>)曲线向正电压的方向显著偏移,而LoopJK的突变则几乎将hClC-1的共同门控(common gating)完全锁定于开放状态,从而显著性改变了其电压依赖等动力学特性。 hClC-1的功能异常会导致骨骼肌细胞兴奋性异常增高而引起遗传性肌肉疾病——肌强直(myotonia)。作为hClC-1功能性研究的一部分,本实验对来自具有不同遗传方式的肌强直患者的四个点突变(S70L,S728L,C271R,W303R)进行了电生理学分析。结果显示,来自于同一个复合性杂合体患者的S70L和S728L所产生的氯离子电流与野生型hClC-1没有任何显著性差异;但来自于散发性肌强直患者的突变C271R,却导致通道激活曲线偏移达150mV,使其共同门控仅在正电压时才开始激活,开放几率大幅度降低;与C271R具有相似表型的突变W303R则导致通道的单孔门控和共同门控的开放几率都相对降低,但维持其电压依赖性保持不变。鉴于致肌强直突变在hClC-1中分布的广泛性以及突变体特性与表型之间的复杂相关性,进一步的探索显然需要建立在对hClC-1蛋白结构与功能更深入的理解之上。