真核生物CSC/OSCA家族阳离子通道的结构与功能

The CSC1/OSCA1, a newly identified osmosensor in plant，may become a potential molecular target for engineering drought-resistant crops. Its molecular nature is a hyperosmolality-gated nonselective cation channel that permeates calcium ions. Drought or osmotic-stress evokes the channel，which triggers calcium influx and calcium concentration increases in the cytosol as response. The CSC/OSCA family is comprised of numerous homologues，which are found in all plant species and throughout eukaryotes. Prediction shows that the structure-folding mode adopted by the CSC/OSCA family proteins is totally different from any of known mechanical-sensitive channel of TRP, DEG/ENaC, K2P, MscS and Piezo families. Currently, no any 3-D structure information is reported on the CSC/OSCA family proteins. Structure determination of the family proteins helps to elucidate how hyperosmolality-evoked plasma membrane stretching activates the channel to promote calcium influx, and also sheds light on the structure basis for the non-selective cation permeation. We plan to solve the structure of the ion channel family by using crystal diffraction in combination with cyro-EM method. So far, our preliminary study on the project has already made some solid progress. We have harvested X-ray diffractable crystals and optimized the cryoEM-sample preparation protocol. It is expectable to make breakthrough on the project.

CSC1/OSCA1是新近鉴定出的植物的渗透压感应器，是作物抗旱改造的一个潜在分子靶标，其分子本质是一个渗透压门控的、可通透钙离子的非选择性阳离子通道。干旱胁迫或高渗透压下通道被激活，引发胞浆钙离子浓度升高，以响应胁迫。CSC/OSCA家族成员众多，广泛存在于植物、衣藻、真菌、动物等各种真核生物中。预测CSC/OSCA家族蛋白与TRP、DEG/ENaC、K2P、MscS 及Piezo等家族机械力敏感通道的折叠模式及结构完全不同，但目前尚无该家族的三维结构信息。解析其结构，有助于阐明高渗透压所致细胞膜机械张力是如何激活该通道、引发钙离子内流的分子机理，并揭示该离子通道对阳离子底物的非选择性通透的结构基础。我们拟将晶体衍射与冷冻电镜技术相结合，解析该家族离子通道的结构，揭示其独特的结构特征及工作机理。目前，课题前期进展良好，已获得可衍射的晶体，冷冻电镜样品制备条件已初步成熟，课题突破大有希望。

CSC1/OSCA1是一种具有全新折叠模式的渗透压门控阳离子通道。作为渗透压感应器，该家族成员广泛存在于植物、衣藻、真菌、动物等各种真核生物中。本项目开展了对该家族蛋白的三维结构研究，试图解析其结构，阐明高渗透压所致细胞膜机械张力是如何激活该通道、引发钙离子内流的分子机理。期间，冷冻电镜单颗粒技术的成熟，大大降低了解析膜蛋白三维结构的难度。而我们缺乏高分辨率冷冻电镜平台的硬件支持，使得我们在竞争中落败。.随后，我们调整项目研究内容，选择其他重要生理功能的膜蛋白及蛋白质复合物为研究对象，开展结构生物学研究，主要包括以下内容：（1）真核细胞整合膜蛋白MCT家族单羧酸转运复合体调控底物跨膜转运的结构基础；（2）重要受体复合物的结构及其功能调控的分子机制。.在本项目的资助下，我们取得一些重要成果：（1）解析了人类癌症重要靶标膜蛋白复合物--乳酸跨膜转运蛋白MCT1-Embigin复合体的冷冻电镜结构，并对复合物的组装机制及底物选择性结合与转运的分子机理进行深入阐述，成果发表在Cell Reports上；（2）解析了植物激素水杨酸受体的N-端主体结构域的晶体结构，并结合生化分析，揭示其复合物组装的关键氨基酸位点，部分结果发表在BBRC上。（3）解析了强致癌环境污染物二噁英的受体AHR的多个前体复合物的冷冻电镜结构，相关成果正在总结撰写当中。