近日,Nature旗下期刊《Communications Biology(通訊—生物學)》線上發表題為“Cytosolic peptides encoding CaV1 C-termini downregulate the calcium channel activity-neuritogenesis coupling”的研究論文。該工作由北京航空航太大學生物醫學工程高精尖創新中心領銜完成,針對L型鈣離子通道基因碳末端編碼的多肽進行了系統研究,定量刻畫了其對通道功能的調控效應和機制,首次揭示了該類型多肽對於神經元“鈣通道活動-突起發育耦聯”的抑制作用和穩態調控。
鈣離子對於生命活動不可或缺,細胞膜鈣通道蛋白是鈣離子的重要來源和鈣訊號的關鍵機制之一。L型鈣通道(CaV1.1-1.4)具有24次跨膜片段以及長達700胺基酸的長碳端,作為複雜分子機器,通過鈣訊號調節控制著從骨骼肌收縮、心臟搏動、胰島素分泌到神經元可塑性等眾多生物學過程。從進化角度看,一方面四種通道亞型有著緊密的親緣關係,提示其功能和機制彼此相似(本質上趨同、定量上存异);另一方面,L型鈣通道遠碳端(DCT)結構域可能通過綜合獨立的蛋白/多肽進化而來,並可通過水解酶剪切、隱藏啟動子轉錄等機制,在細胞中形成單獨多肽發揮其作用。受此啟發,本工作聚焦於DCT編碼肽,系統構建了所有主要變體,利用膜片鉗電生理、雙雜交FRET成像等科技對其進行了定量刻畫,證明了DCT肽的多種變體均通過與鈣調素競爭而結合L型鈣通道,進而抑制通道的基本功能(LiuX et al.Nature 2010;LiuN et al.eLife 2017)。與前述進化角度的預期一致,不同多肽變體的抑制功效依據其(與通道的)結合强度形成定量的梯度曲線,為L型鈣通道DCT肽的相關研究提供了關鍵性的基礎數據。
關於神經元DCT肽的生理作用,此前美國斯坦福大學Dolmetsch實驗室在《細胞》雜誌上報導了重要發現:DCT編碼肽在神經元內以轉錄因數管道調控基因表達,對突起生長具有促進作用。與此核轉錄效應相反且形成互補,本工作首次發現:當DCT編碼肽定位於胞漿中時,通過抑制L型鈣通道及下游訊號通路,對神經元突起發育起到抑制作用。DCT肽的雙向效應,結合其漿-核分佈的活動/鈣依賴性,是神經元突起發育穩態調控的潜在機制。依據變體分型、亞細胞空間分佈,不同來源(神經元內源以及過表達外源)的DCT肽均可對皮層神經元突起生長起到(雙向)調控作用,此成果為神經元退行性病變的診療提供了新視角和新思路。本工作所揭示的DCT機制和功能,對於進一步研究廣泛意義上DCT/類鈣調素結構域(包括但不限於鈣通道複合體)具有啟發性的價值和意義。
CaV1DCT編碼多肽調控鈣通道活動-神經元突起生長耦聯
本工作由北京航空航太大學生物醫學工程高精尖創新中心劉曉冬教授(通訊作者)與樊瑜波教授(通訊作者)以及清華大學李小梅教授(通訊作者)合作完成。共同第一作者為北京航空航太大學博士後楊亞雄博士、博士生於振和耿金麗,另有來自北航(李萍、洪維禮、嶽蜀華)、清華(宋森、錢峰、熊巍、江河)、浙大(王平)等組織的多位教授/研究員也為完成本工作做出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。
全文連結:https://www.nature.com/articles/s42003-022-03438-1