同花顺-圈子

间隙连接是临近细胞通讯中的重要方式。Connexin是间隙连接中重要的家族，Connexin的单体在细胞膜上组成六聚体的半通道（hemichannel），来自相邻细胞的半通道组装为间隙连接通道（gap-junction channel）。通过此通道，离子或二级信使分子（如：cAMP, IP3）可以在临近的两个细胞间交换。因此，介导细胞间通讯的间隙连接在多种生理及病理过程中都极为重要。在人体中，总共有21个编码Connexin的基因(1)。其中，Connexin32 在肝脏及外周神经系统中(2)，Connexin43在心肌细胞与神经细胞中发挥着重要功能(3)。Connexin的突变会导致多种疾病，例如：Connexin32突变导致进行性神经性腓骨肌萎缩（Charcot-Marie-Tooth disease），Dejerine-Sottas综合征；Connexin43突变导致眼齿趾发育不全（ODDD）,左心发育不全综合征，颅面骨畸形综合征，房室间隔缺损等。因此，研究Connexin的功能及门控机制对我们理解Connexin的工作及调控机理，设计开发针对Connexin的药物极为重要。近日，瑞士苏黎世联邦理工大学（ETH Zurich）的Volodymyr M Korkhov 教授研究组亓超博士等研究人员在eLife 杂志发表题为“Structure of the connexin-43 gap junction channel in a putative closed state” 及 Science Advances 杂志发表题为“Structures of wild-type and selected CMT1X mutant connexin 32 gap junction channels and hemichannels” 的两篇研究论文, 系统性阐述Connexin43 及Connexin32 的“开关”机制，为进一步药物开发奠定了基础。

Connexin43: 研究人员通过冷冻电镜方法解析Connexin43在去垢剂（detergent）及纳米盘（nanodisc）脂环境下半通道及间隙连接通道的精细三维结构，通过比较间隙连接通道与半通道的结构，揭示了细胞外loop区通过构象变化来实现间隙通道组装的机制。此外，冷冻电镜结构显示Connexin43通道内部有三个脂质结合位点，揭示脂类分子在调控Connexin功能中的重要作用。通过分子动力学模拟研究，进一步揭示了冷冻电镜所捕获的Connexin43结构为关闭状态，Connexin43主要通过其N端结构域NTH调节通道 “开放”与“关闭”。

图1： A, Connexin43间隙连接通道的分子结构。B, 脂类分子在Connexin43通道内的结合位点。Connexin32: 研究人员利用冷冻电镜方法解析野生型 connexin32及进行性神经性腓骨肌萎缩（CMT1X）相关突变体W3S 及 R22G半通道及间隙连接通道的精细三维结构。结构分析发现，与connexin43类似，connexin32也是通过细胞外loop区构象变化来实现间隙通道组装。connexin32间隙连接通道为开放状态，N端结构域NTH表现为flexible的构象状态。然而，connexin32半通道呈现出独特的前所未见的“半开放”状态，其NTH由一个胆固醇样脂质分子稳定。疾病相关突变体W3S 及 R22G会破坏connexin32半通道NTH的构象，使其不能与脂质分子结合并关闭半通道，然而疾病相关突变体并不影响间隙连接通道的结构与功能。此外，研究人员还利用双膜片钳（dual-patch clamp），全细胞膜片钳（whole-cell patch-clamp），光漂白荧光恢复实验（FRAP）,染料吸收实验（dye uptake）等大量功能实验验证了疾病相关突变体W3S 及 R22G只影响半通道功能，而不影响间隙连接通道功能。综合结构与功能实验结果，提示半通道在进行性神经性腓骨肌萎缩（CMT1X）中的重要作用，为进一步理解疾病发生及寻找治疗方法奠定了基础。

图2: Connexin32及突变体的门控分子机制模式图。参考消息：1. G. Sohl, K. Willecke, Gap junctions and the connexin protein family. Cardiovasc Res 62, 228-232 (2004).2. J. E. Rash, T. Yasumura, F. E. Dudek, J. I. Nagy, Cell-specific expression of connexins and evidence of restricted gap junctional coupling between glial cells and between neurons. J Neurosci 21, 1983-2000 (2001).3. S. Rohr, Role of gap junctions in the propagation of the cardiac action potential. Cardiovasc Res 62, 309-322 (2004).