蝎毒素探针对电压门控钠通道快失活调控的研究

Voltage-gated sodium channels (VGSCs) dominate the initiation and propagation of action potentials and are the molecular basis for cellular excitability. They are closely related to clinical diseases such as pain, epilepsy, arrhythmia and are also direct targets for many drugs. Fast inactivation is an important gating process for sodium channels and a major cause for the formation of absolute refractory periods of action potentials. Complete fast inactivation is essential for the normal physiological function of excitable cells. Due to the extremely short time span, conformation changes in fast inactivation are still not fully understood. Recently, we have discovered a toxin BmK-M9 from the venom of Mesobuthus martensii Karsch. Experiments have shown that BmK-M9 can bind to the sodium channel with high affinity and inhibit the occurrence of fast inactivation. Therefore, the study of the mechanism of the toxin will deepen the understanding of the process of fast inactivation. On this basis, the proposed study intends to conduct research on the following aspects: (1)analysis of the effect of toxins; (2)structural basis of interaction between toxins and channels; (3)exploration of the molecular mechanism by means of photoelectric coupling. The above work will not only explain the specific regulation of sodium channel by BmK-M9, but also useful in understanding the working mechanism of sodium channels and the pathogenesis of related diseases, as well as the development of structure-based drugs.

钠通道控制动作电位的起始和传导，是细胞兴奋性的分子基础，与疼痛、癫痫、心率失常等临床疾病息息相关，是一类重要的药物靶点。快失活是钠通道从激活态到失活态的过程，是动作电位绝对不应期形成的主要原因。完整的快失活对可兴奋细胞的正常生理功能是必需的。由于时程极短，快失活发生的变构过程尚存争议。近来，我们从东亚钳蝎的毒液中发现了一毒素多肽BmK-M9。实验表明，BmK-M9可与钠通道高亲和力的结合，并抑制快失活的发生。因此，该毒素作用机制的研究能加深对快失活过程的认知。在此基础上，本项目拟进行以下几个方面的研究：(1)毒素的作用效力分析；(2)毒素与通道互作的结构基础；(3)采用光电联用的方法探索毒素与通道互作的分子机制。以上工作的开展不仅可以阐释BmK-M9对钠通道的特异调控，而且对于理解钠通道的工作机制和相关疾病的致病机理，以及开展基于结构的药物研发都是大有裨益的。

钠通道控制动作电位的起始和传导，是细胞兴奋性的分子基础，与疼痛、癫痫、心率失常等临床疾病息息相关，是一类重要的药物靶点。快失活是钠通道从激活态到失活态的过程，是动作电位绝对不应期形成的主要原因。完整的快失活对可兴奋细胞的正常生理功能是必需的。由于时程极短，快失活发生的变构过程尚存争议。近来，我们从东亚钳蝎的毒液中发现了一毒素多肽BmK-M9。实验表明，BmK-M9可与钠通道高亲和力的结合，并抑制快失活的发生。因此，该毒素作用机制的研究能加深对快失活过程的认知。在此基础上，本项目拟进行以下几个方面的研究：1）毒素的作用效力分析；2）毒素与通道互作的结构基础；3）采用光电联用的方法探索毒素与通道互作的分子机制。以上工作的开展不仅可以阐释BmK-M9对钠通道的特异调控，而且对于理解钠通道的工作机制和相关疾病的致病机理，以及开展基于结构的药物研发都是大有裨益的。.本项目的重要结果和关键数据如下：1）毒素BmK-M9与钠通道的高亲和力结合。我们发现BmK-M9与钠通道的亲和力很高，特别是和BgNav1.1的结合几近是不可逆的。DIV胞外一个带电的Asp-Lys-Tyr链形成了BmK-M9的结合区域，同时决定了它的亚型选择性。2）确定了BmK-M9更易结合静息态的钠通道。证实BmK-M9在通道静息态时结合到DIV的voltage sensor而阻滞了其应对去极化膜电位的向胞外的门控运动，最终导致了孔区的持续性开放及延长的钠离子流。但当DIV的voltage sensor处于运动过程中或已经被激活时，BmK-M9的结合力变弱。膜电位复极化时这个结合力又会逐渐增强，而且还能加速DIV voltage sensor向静息态的运动。综上我们发现了钠通道的高亲和力毒素分子BmK-M9，并解析了其结构；揭示了BmK-M9与钠通道Domain IV voltage sensor相互作用的分子机制；初步开发了一个入侵害虫的天然毒素防控系统。.科学意义：在分子水平解释了α蝎毒与钠通道互作的机理，进一步证实了产毒动物毒液成分结构和功能的多样性，同时对开发新型毒素多肽类杀虫剂提供了分子模板。