2025年5月29日，北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心宋晨研究组在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America期刊发表了论文Deciphering Ca2+ permeation and valence selectivity in CaV1: Molecular dynamics simulations reveal the three-ion knock-on mechanism。该研究使用电子介质校正方法定量调整了离子和通道间的静电相互作用，并利用系统的分子动力学模拟研究揭示了电压门控钙离子通道的钙离子通透机制——三离子敲击机制，以及对通透离子的价态选择机制。
电压门控钙离子通道介导胞外钙离子的内流，在肌肉收缩、突触传递等许多生理过程中发挥着重要作用。作为一类典型的电压门控钙离子通道，CaV1（也称为L型钙通道）同时具有对钙离子的高通透效率和高选择性。在之前的研究中，钙通道对钙离子的选择性被归因为钙离子与通道更强的结合能力。然而，更强的结合意味着更慢的解离速率，与钙离子通道的高通透效率矛盾。为了解决这一问题，有研究者提出双离子孔道模型，指出通道里可能可以结合两个钙离子，但突变实验表明，通道中只存在一个高亲和力的钙离子结合位点。近年来，随着冷冻电镜技术的发展，多个钙通道的结构被解析，在其选择性滤器区可以观测到结合一个或两个钙离子，然而钙离子的通透和选择性机制依然不清楚。有研究组基于钙通道结构尝试用分子动力学模拟研究通透机制，但发现无法观测到离子通透事件。
宋晨研究组利用电子介质校正方法，校正了离子和通道间的静电相互作用，并在CaV1的离子电导、结合位点、残基突变效应等多个方面和实验数据进行比较，得到了很好的一致性。基于该方法，宋晨研究组分析了跨膜势存在时CaV1钙通道的选择性滤器区的钙离子密度分布以及钙离子与周围负电残基的相互作用，得到了钙离子通透的主要状态和转变速率（图1）。结果表明，在CaV1钙通道的选择性滤器区周围存在多个钙离子结合位点，可以结合2-3个钙离子。通道中的EEEE位点与钙离子的相互作用具有差异性，特别是第四条链的E残基几乎不与钙离子直接结合。此外，除了经典的EEEE位点外，D706残基对钙离子的结合也有重要作用。对钙离子结合模式的分析结果表明，在钙离子通透过程中，选择性滤器区内部存在三种不同的钙离子结合模式（图1D），在跨膜势和周围其它钙离子的作用下，三种结合状态之间的循环转变达成了钙离子的高效通透。
图1 钙离子在CaV1的选择性滤器区内部的结合和配位分析。（A）选择性滤器区中的钙离子密度图。（B）钙离子沿孔道轴线z方向的密度分布。（C）钙离子与通道的羧基氧配位数沿z方向分布。（D）选择性滤器区中钙离子主要结合模式和通透循环示意图。
使用增强采样方法，宋晨研究组进一步定量揭示了钙离子在CaV1钙通道中的通透和选择机制（图2）。不同数目的钙离子通透自由能计算结果表明，单个或者两个钙离子通过CaV1通道的能垒过高，而第三个钙离子的进入则能降低通透能垒至14 kJ/mol，使得离子的通透过程能够快速进行。综上可见，钙离子通过CaV1通道的过程服从三离子敲击机制：当第三个离子从孔道上方靠近选择性滤器区时，该区域最下方的第一个离子才能离开通道。而钙、钠离子混合条件下的自由能计算结果表明，当钙离子结合在选择性滤器区时，钠离子通过该区域的能垒很高，且钠离子到达EEEE位点附近时能量最高，约为33 kJ/mol。这是因为在EEEE位点附近孔道狭窄且存在多个负电残基，强烈的静电相互作用不利于单价阳离子与二价阳离子的竞争。总之，CaV1通道中钙离子的三离子敲击机制实现了钙离子的高效率通透，同时狭窄、强负电的选择性滤器区阻碍了单价离子参与进三离子敲击的过程，从而实现了对通透离子的价态选择性。该机制在高选择性的电压门控钙离子通道中可能具有一定的普适性。
图2 钙离子在CaV1中的三离子敲击通透机制及价态选择机制示意图。
北京大学定量生物学中心博士生薛凌峰为该论文的第一作者。清华大学生命科学学院、深圳医学科学院、深圳湾实验室颜宁院士为该工作做出了重要贡献。北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心宋晨研究员为该论文的通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目以及北大-清华生命科学联合中心的经费资助。北大-清华生命科学联合中心“北极星”高性能计算平台为该研究提供了部分计算资源。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2424694122
