细胞外膜钙离子通道 Orai1的调控机理

Orai1 channel on plasma membrane is a special calcium channel and contains four transmembrane helices. It has high selectivity over calcium ion. Orai1 channel is one of major channels through which extracellular calcium flux into cytosol. Orai1 channel at resting state has no any activity and requires another calcium sensor STIM1 to bind and then be activated. In order to elucidate the structure and function of Orai1 channel, we comprehensively used the electrophysiology, cell biology , protein crystallography and cryo electron microscopy techniques, to investigate three items: screen of Orai1 mutants at activated state; structure determination of Orai1 channel at activated state and structure determination of STIM1-Orai1 complex. The outcome of this study will uncover the molecular mechanism of high selectivity of calcium ion by Orai1 and the molecular details of Orai1 channel binding by STIM1, providing vital information for autoimmune disease.

细胞外膜Orai1通道是拥有四次跨膜的特殊钙离子通道，具有很高的钙离子选择性，是细胞外钙离子流入细胞的主要离子通道之一。静息态的Orai1通道没有活性，需要另外一个钙离子感受器STIM1结合并进行激活。为了深入了解Orai1通道的结构和功能，我们综合运用电生理、细胞生物学、蛋白质晶体学和冷冻电镜技术，研究以下三个方面内容：激活态Orai1通道突变体筛选，激活态Orai1通道的三维结构测定以及Orai1-STIM1复合物三维结构测定。本项目的研究成果将阐明Orai1选择性地通透钙离子的分子机理，并且揭示STIM1分子结合并激活Orai1通道的分子细节，为自身免疫疾病的防治提供非常重要的分子基础和理论指导意义。

Orai通道是一类独特的钙离子通道。通道激活和通透钙离子的分子机制还不是很清楚。本项目主要研究Orai通道的结构和功能。在项目的支持下，我们总共发表了12篇SCI论文，其中七篇为通讯作者论文，包括2篇发表在Science Advances，2篇发表在Cell Reports，1篇发表在PLoS Biology，1篇发表在JBC杂志上。根据本项目制定的研究计划，我们首先验证了果蝇Orai通道的P288L突变体是持续性激活的突变体。我们从全细胞电生理和平面脂双层电生理两个不同角度交叉验证了这一点。然后利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术分别解析了激活态Orai通道P288L突变体的晶体结构和冷冻电镜结构。结构显示激活态Orai通道呈现六聚体组装。进一步通过比较闭合态和激活态的Orai通道结构发现，通道的激活是由位于六聚体外侧的螺旋通过摆动，诱导六聚体中心的螺旋在胞内侧张开来完成的。结合实验数据，我们提出了一个新颖的钙离子通透机理。Orai通道在闭合状态下，六聚体被最外侧螺旋紧紧缠绕，使细胞质一侧的离子通透孔处于收缩状态。此时，Orai通过正电荷排斥和负离子塞子共同相互作用来阻止Ca2+通透。当Orai通道打开时，六聚体最外侧螺旋摆动，从而拉动六聚体中心的螺旋在胞内侧向外扭曲，暴露碱性氨基酸富集区，因此能够吸引并聚集负离子。 这些负离子不仅可以中和通道内的正电荷以减少电荷排斥，还可以增加通道内部质膜两侧的电位梯度。在这种情况下，通道内的钙离子一方面受到细胞外钙离子的排斥作用， 起到一个“推”的作用;另一方面又受到细胞内负电荷吸引，起到一个“拉”的作用。 钙离子在这样的“推-拉”合力下，通过疏水门控区域，进入到细胞内。这些研究成果为进一步设计高效的小分子药物和自身免疫疾病的防治提供非常重要的分子基础和理论指导意义。