【摘 要】
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钙释放激活的钙通道（CRAC）是非兴奋性细胞中钙离子内流的主要途径.然而,CRAC激活过程受到多种因素的调控,研究的主要困难在于该通道蛋白的孔结构Orai及其激活蛋白STIM复合体的结构复杂,难以在原子尺度上通过实验观察到完整的激活及失活过程.电生理和生化实验表明,与野生型Orai孔道的开启需要STIM蛋白激活不同,Orai蛋白上某些氨基酸的突变会导致其变成自发开启的状态.因此,研究者普遍使用处于
【基金项目】
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supported by the National Natural Science Foundation of China （No.21773115, No.21833002, No.11771435, and No.22073110）； the Natural Science Foundation of Jiangsu Province （No.BK2019
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钙释放激活的钙通道（CRAC）是非兴奋性细胞中钙离子内流的主要途径.然而,CRAC激活过程受到多种因素的调控,研究的主要困难在于该通道蛋白的孔结构Orai及其激活蛋白STIM复合体的结构复杂,难以在原子尺度上通过实验观察到完整的激活及失活过程.电生理和生化实验表明,与野生型Orai孔道的开启需要STIM蛋白激活不同,Orai蛋白上某些氨基酸的突变会导致其变成自发开启的状态.因此,研究者普遍使用处于自发开启状态的通道突变体,通过研究突变体的结构和电生理性质,推测野生型孔道在生理条件下可能的激活机制,并提出了不同的调控机制模型（Biopolymers 111,e23392（2020））.然而,突变体是否可以真实地反映CRAC通道的激活机理还存在一些不确定性.本文采用微秒级分子动力学模拟,结合自由能计算和基于电扩散连续模型的有限元分析,系统性地探索了三种处于激活状态的dOrai突变体（G170P、H206A和P288A）的结构及动态变化、离子通过自由能及电流电压曲线,并与以往工作中对于其它突变体（Proc.Natl.Acad.Sci.USA 110,17332 （2013）;J.Phys.Chem.B 118,9668 （2014））以及野生型处于开启状态的一种可能的结构模型（iScience 16,356 （2019））进行比较.计算结果表明,三种突变体的孔道结构均呈现出扩张的趋势,孔道内水分子的有序排布程度降低,从而显著降低了阳离子在孔道内扩散的自由能.但不同的dOrai突变体采用了不同的模式来保持其通道处于激活状态.具体的说,G170P突变体通过引入脯氨酸使直接形成孔道的跨膜螺旋TM1发生显著弯曲,从而有效增大孔径.H206A和P288A突变体都是通过别构效应间接地改变孔道结构:其中H206A通过在TM1外侧的跨膜螺旋TM2上引入侧链较小的丙氨酸而破坏同一条链上TM1和TM2间的堆积作用,引起TM1的扩张;而P288A的突变位点处于孔道蛋白最外侧的跨膜螺旋TM4上,减小TM4的弯曲程度,并进一步将构象变化传递到孔道中心的TM1,从而使得孔径增大而激活通道.因此,虽然三个突变体均可以导致Orai孔道的自发激活,但突变位点各不相同,导致构象变化的分子机制也各有差异.此外,与野生型dOrai通道处于激活状态的结构模型相比,上述突变体的孔道结构、整流性质和阳离子选择性都有明显差异.因此,对于突变体的研究可以为理解Orai通道的激活机制提供信息,但并不能真实地反映生理条件下由激活蛋白STIM调控的Orai通道的门控过程.
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