昆明动物所等解析溶酶体钙离子通道TRPML3 在三种不同状态下的高分辨率三维结构

近日，中国科学院昆明动物研究所离子通道药物研发中心、美国哥伦比亚大学和清华大学合作完成的最新研究成果，以Cryo-EM structures of the human endolysosomal TRPML3 channel in three distinct states为题，发表在Nature Structural & Molecular Biology上。研究人员通过使用单颗粒冷冻电子显微镜技术，解析人源性溶酶体钙离子通道TRPML3在关闭状态、激动剂引发的开放状态及酸性pH抑制状态下的高分辨率全长结构，揭示了前所未有的结构特征，为研究该通道的激活及调控机制和生理功能提供了全新的结构基础。

胞吞途径对胞内信号传导及细胞生理反应具有重要作用。内涵体及溶酶体中存在的多种离子通道对胞吞途径具有调控作用，其中主要分布于溶酶体及内涵体中的TRPML1和TRPML3离子通道对细胞膜转运、细胞自噬、胞吐作用及维持离子平衡至关重要。研究发现，瞬时受体电位通道成员TRPML1是MLIV的遗传致病决定性因素，多达20余种TRPML1基因突变可导致MLIV。此外，小鼠中的两个自发性功能增强型TRPML3突变体（A419P及I362T）能够导致听觉丧失及毛色弱化的生理表型，这些研究表明TRPML1与TRPML3通道在细胞生理过程中发挥重要作用。在正常细胞生理条件下，TRPML3通道能够受到多种因素调控：PI(3,5)P2激活TRPML3通道，TRPML3通道活性能够分别被酸性pH、Na+及PI(4,5)P2抑制。多种合成小分子如ML-SA1能特异性激活TRPML通道，而这些激动剂对TRPML通道生理功能研究颇为重要。

为了更深入了解TRPML通道功能及调控的分子机制，通过使用单颗粒冷冻电子显微镜(cryo-EM)，研究人员成功解析了全长人源性TRPML3离子通道在关闭状态、激动剂结合导致的开放状态及低pH抑制状态下的高分辨率（分别为4.06、3.62及4.65 Å）结构。三维结构显示激动剂ML-SA1结合于跨膜结构域S5与S6之间并诱导打开S6的门控组件。结构显示多个独特的结构特点：多囊蛋白-粘脂蛋白结构域（polycystin-mucolipin domain, PMD）构成细胞器内腔帽子（luminal cap）结构，S1跨膜a螺旋段延伸至该帽子结构，与一个a螺旋段连为一体，构成“门控杆”（gating rod），直接与腔孔环（luminal pore loop）连接，而此腔孔环在酸性pH条件下发生剧烈的构象变化；跨膜a螺旋段S2延伸至胞内侧并与多个胞内侧结构区相互作用，构成“门控把手”（gating knob）。结合电生理实验结果，这些独特的结构特征提示了新的通道调控机制，即腔内低pH及其它生理调控因子（如PIP2），通过导致S1及S2的构象变化，对TRPML3通道功能进行调节。该工作揭示了TRPML3通道全新的结构特点及通道激活与调控中发生的构象变化，为进一步研究TRPML3通道调控机制提供了结构基础，为解致病突变导致通道功能异常的原因提供了线索。

研究工作得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金面上项目、云南省科技厅海外高端人才、云南省高层次人才项目、青年千人计划及美国国立卫生研究院等的支持。

　　图A：TRPML3通道四聚体结构，视角平行于细胞膜（左）或从膜上方所视（右）。不同颜色代表不同的单体。图B：从膜上方所视的TRPML3单体结构。不同颜色显示不同的结构域。图C：关闭与开发状态下的TRPML3单体结构比较。绿色显示激动剂ML-SA1，蓝色显示结构相同或相近的区域，红色显示结构有差异的区域。