氯离子通道、HCN通道、Slo2.2通道的三维结构被解析

利用一种最新的对分子进行深度冷冻的成像技术，来自美国洛克菲勒大学Roderick MacKinnon实验室的研究人员以史无前例的细节构建出三种离子通道的三维结构。这三种离子通道为特定的离子跨越细胞的保护膜提供通路。鉴于这些离子在允许细胞彼此之间进行通信的生化信息传递中发挥着至关重要的作用，这些发现为理解肌肉如何收缩、心脏如何维持它的节律和很多其他的生理过程产生影响。
为了获得这三种离子通道的结构，研究人员利用安装在伊芙琳-格鲁斯-理柏冷冻电子显微镜资源中心（Evelyn Gruss Lipper Cryo-Electron Microscopy Resource Center）的仪器捕获和收集这些离子通道分子在一层薄冰中冻存时的图片。利用这些数据，他们在单个原子的水平上解析出这些离子通道的三维结构。洛克菲勒大学分子神经生物学与生物物理学实验室主任John D. Rockefeller教授说，“多亏能够直接检测用于可视化观察样品的电子的仪器，结构生物学已发生真正的变革。利用这种技术，基于单个随机定向的蛋白分子的图片解析出它们的高分辨率结构是可能的。”获得这些结构使得研究人员研究长期存在的关于这些分子如何发挥功能的问题、对它们的生物学机制产生新的认识和潜在地协助开发治疗多种疾病的方法成为可能。
氯离子通道：微小变化，另一种工作方式

氯离子通道CLC打开，被动地允许离子通过。然而，与它存在较高同源关系的另一种离子通道以另一种方式转移氯离子：用氢离子交换它。利用它们的结构数据，MacKinnon实验室博士后研究员Eunyong Park和研究专家Ernest B. Campbell发现有助解释这两种类似的离子通道如何以不同的方式工作的细节：一种环形结构在允许这些离子通过的孔内的位置。在这种交换性的离子通道中，已知这种环形结构部分上阻断这些离子的通路。在这种新的CLC结构中，他们观察到这种环形结构向下翻转，从而允许氯离子更加自由地通过。相关研究结果发表在2017年1月26日那期Nature期刊上，论文标题为“Structure of a CLC chloride ion channel by cryo-electron microscopy”。
“起搏器”通道：如何逆转反应

通过允许钾离子和钠离子跨越细胞膜，HCN通道引发节律性的电信号产生，包括心脏中的起搏器电流。在类似的通道当中，HCN通道对电势变化作出逆向反应使得它与众不同。当细胞增加一种信号时，其他的通道会打开，但是HCN通道会关闭。当细胞返回静止时，不同于其他的通道，HCN通道会打开。洛克菲勒大学分子神经生物学与生物物理学实验室博士后研究员Chia-Hsueh Lee发现导致这种差异的特征，如相比于存在同源关系的钾离子通道（红色），HCV通道的电势检测区（蓝色）内存在一个超长的臂状结构。在电脉冲开始产生之后，这种更长的臂状结构可能让HCV通道关闭时的孔保持稳定。相关研究结果发表在2017年1月12日那期Cell期刊上，论文标题为“Structures of the Human HCN1 Hyperpolarization-Activated Channel”。
Slo2.2：抑制兴奋性神经元的开关

为了阻止高频电脉冲失去控制，离子通道Slo2.2允许钾离子从细胞中流出，从而加以制止。它如此做是对一种信号产生期间钠离子涌入细胞作出的反应。洛克菲勒大学博士后研究员Richard Hite和他的同事们已解析出Slo2.2关闭而且它的周围不存在钠离子时的三维结构。在一项新的研究中，Hite让这种离子通道接触它的不同浓度的触发离子，以便确定它在一种特定的钠离子浓度下同时发生的所有结构的分布。结果表明这种离子通道仅存在两种构象：关闭构象和打开构象。因此，当它打开时，它会经历一种显著的转变，类似于打开照明开关那样。相关研究结果发表在2017年1月26日那期Cell期刊上，论文标题为“Structural Titration of Slo2.2, a Na+-Dependent K+ Channel”。