Ryanodine受体（RyRs）是定位在肌质网及内质网表面的钙离子选择性通道，其主要功能之一是在肌肉收缩时从肌质网中释放大量钙离子至细胞质中。前期的结构生物学研究表明，相较于定位于细胞膜上的L型钙离子通道，RyR钙离子通道开启时孔道较宽，因而可以产生较高的电导率。近期，宋晨研究组发展了一个可以定量描述钙离子和蛋白相互作用的多点钙离子模型，并在分子动力学模拟中揭示了钙离子高效通透的微观过程（Nature Communications 2020, 11, 922）。然而，较宽的孔道无法像钠/钾离子通道一样利用离子脱水性质的差别产生选择性。因而，RyR离子通道如何优先保证二价钙离子的通透是一个有趣的问题。之前关于RyR通透性和选择性机制的研究多基于高度简化的孔道模型。据此提出的“电荷/空间竞争”选择性机制假说认为RyR离子通透路径中存在一处狭窄的高负电区域，不同半径及电荷的阳离子对该区域的空间进行竞争，从而产生二价阳离子的选择性。该假说能解释部分实验数据，但仍缺乏具体结构信息及不同离子与蛋白竞争互作的微观细节。
最近，宋晨研究组进一步利用其新的钙离子模型和分子动力学模拟的方法研究了钙离子与钾离子共存时，二者竞争通过RyR的微观动态过程。该计算模拟研究再现了RyR电生理实验中的钙离子对单价离子电流的阻碍现象，确认了带有大量负电且空间受限的Luminal Vestibule (管腔前庭区)是电荷/空间竞争机制发生的关键部位（图1），定位了钙离子和钾离子在该区域相似但不尽相同的结合位点，直观地观测到了关键残基对二价离子的强吸附导致的离子选择过程，并定量描述了钙离子和钾离子共存时对彼此有效通透势垒的影响。
图1 RyR钙离子通道Luminal Vestibule区域的“电荷/空间竞争”示意图
该研究利用骨骼肌细胞中的RyR1和心肌细胞中的RyR2的开放态冷冻电镜结构，模拟了体系中不同钙/钾离子浓度对离子通透及通道选择性的影响。模拟结果定量再现了电生理实验中观察到的单一离子的电导率，同时观测到了微量钙离子对单价离子电流的强阻碍作用，证明了该方法的有效性。研究发现多个阳离子聚集在RyR的Luminal Vestibule区域，而该区域周围环绕了约12个负电残基且空间有限（图1）。在钙钾离子混合体系中，两种阳离子在该区域竞争结合。钙离子由于携带更多正电荷且有效半径小，与该区域的负电残基具有显著的结合优势，能更好的填补此处的静电势阱。钙离子在该体积受限区域的优先结合，导致钾离子在同一区域的平均占据数显著下降，并进一步导致钾离子电导的下降；与之形成对比的是，钾离子的存在对钙离子在该区域的结合没有显著影响（图2）。同时，该区域结合的离子数目与该种离子通透效率近似成正比，证明Luminal Vestibule是不同价态的离子进行电荷/空间竞争的重要位置。
图2 钙钾离子共存时，Luminal Vestibule处发生的电荷/空间竞争是影响不同价态离子占据和转运的重要因素
据此，宋晨研究组提出RyR钙离子通道的二价阳离子选择性发生在包含Luminal Vestibule在内的一个扩展的选择过滤区（Extended Selectivity Filter）。其对二价阳离子的选择一方面是由于钙离子与该区域的多个负电氨基酸具有更强的结合能力，一方面是由于该区域体积受限，钙离子的优先结合导致钾离子的低占据率和低通透率。该机制不依赖于离子的脱水过程，离子可以携带基本完整的第一水合层共同转运，因此也就意味着较低的转运势垒，能够保证高电导率，同时又能通过静电吸引和空间限制保证钙离子的优先通透，从而确保了RyR的钙离子释放功能的鲁棒性。由于该机制对蛋白的选择过滤区的具体结构要求不高，仅需在通道入口处存在高负电性的受限空间即可，因而更容易在实验设计中实现，有望在选择性生物离子通道或纳米材料的理性设计中得到更广泛的应用。
该研究是宋晨研究组基于其新发展的钙离子模型开展的系列工作之一，以“Atomistic Details of Charge/Space Competition in the Ca2+ Selectivity of Ryanodine Receptors”为题发表在《The Journal of Physical Chemistry Letters》期刊。北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心博士生刘春宏为论文第一作者，张爱华博士参与了该研究工作。普林斯顿大学颜宁教授为研究问题的提出及论文的写作提供了宝贵的建议。北京大学定量生物学中心、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。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和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://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c00681
