電壓門控鈉 ( Nav ) 通道通過啓動和傳播動作電位來控制膜的興奮性。與它們的生理意義一緻，這些通道的功能障礙或突變與各種通道病有關。因此，Nav 通道是各種臨床和研究藥物的主要靶點。此外，大量的天然毒素，包括小分子和多肽，都可以與 Nav 通道結合并調節其功能。冷凍電子顯微鏡 ( cryo-EM ) 的技術突破已經能夠确定真核生物（最終是人類）Nav 通道的高分辨率結構，無論是單獨的還是與輔助亞基、毒素和藥物的複合。這些研究不僅提高了我們對通道結構和工作機制的理解，而且爲原型藥物和毒素的結合和作用機制 ( MOA ) 的分子基礎提供了前所未有的清晰度。
2023 年 11 月 30 日，清華大學 / 深圳醫學科學院顔甯團隊在Channels 在線發表題爲 "A structural atlas of druggable sites on Nav channels" 的綜述文章，該綜述将概述 Nav 通道結構藥理學的最新進展，包括配體結合 Nav 通道的結構圖譜。這些發現爲未來的藥物開發奠定了重要的基礎。
電壓門控鈉 ( Nav ) 通道是一種跨膜蛋白，在膜去極化時選擇性地輸入鈉離子。Nav 通道對于可興奮細胞 ( 如神經元和肌肉細胞 ) 的電信号傳遞至關重要，并負責動作電位的産生和傳播。鈉電流的電壓依賴性激活最早由 Hodgkin 和 Huxley 在近 70 年前記錄，标志着動作電位的發現。Hille 研究了 Nav 通道的離子選擇性，并提出了 " 四屏障，三位點模型 " 來描述鈉離子的選擇性。他還分析了局麻藥與相關 Nav 靶向藥物的結合模式。Armstrong 和 Bezanilla 使用高分辨率電生理記錄方法測量門控電流，并探索了 Nav 通道快速失活的過程和決定因素。在 20 世紀 80 年代初，Barchi 和 Catterall 小組研究了 Nav 通道的生化特性；Numa 等報道了 Nav 通道成孔亞基 ( α 亞基 ) 的編碼序列。總之，這些裏程碑建立了 Nav 通道的功能、工作機制和結構特性的早期概念。
Nav 通道屬于電壓門控離子通道 ( VGIC ) 超家族。它們通常包括一個核心 α 亞基，其本身足以進行通道活動，以及輔助 β 亞基 ( β 1- β 4 ) ，有助于膜定位和通道調節。α 亞基是一個長度約爲 2000 個殘基的單一多肽，折疊成 4 個同源重複序列 ( 重複 I-IV ) 。每個重複序列由 6 個跨膜螺旋組成 ( S1-S6 ) ，其中四個重複序列中的 S5 和 S6 構成離子滲透孔域 ( PD ) ，每個重複序列中的 S1-S4 構成側翼電壓感應域 ( VSD ) 。S5 和 S6 之間的序列組裝成細胞外環 ( ecl ) 和離子選擇性過濾器 ( SF ) 。四個不同的殘基，Asp/Glu/Lys/Ala ( DEKA ) ，位于每個重複的相應 SF 位點，負責鈉離子選擇性。III-IV 連接體包含 Ile/Phe/Met ( IFM ) 基序，這對于 Nav 通道的快速失活至關重要。這種疏水簇的突變可以完全消除這種快速失活。
Nav 通道的結構和一般工作機制概述（圖源自 Channels ）
人類 Nav α 亞基有 9 個亞型，分别爲 Nav1.1-Nav1.9。Nav1.1-Nav1.3 和 Nav1.6 主要在中樞神經系統表達。Nav1.4 和 Nav1.5 分别存在于骨骼肌和心肌中。Nav1.7-Nav1.9 主要作用于周圍神經系統。
Nav 通道是産生膜興奮性的關鍵。即使是電壓依賴性鈉電流的微小變化也會産生有害影響。Nav 通道的功能障礙或異常調節與多種疾病有關，主要與通道的組織特異性有關。例如，在 Nav1.1 的編碼基因 SCN1A 中，除了數百個非義突變外，還發現了許多錯義突變，使其成爲癫痫發作的最易感危險因素。Nav1.5 是緻病突變的另一個熱點。在心髒疾病患者中發現了數百種突變，如 3 型長 QT 綜合征、Brugada 綜合征和纖顫。包括 Nav1.3 和 Nav1.6-Nav1.9 在内的幾種 Nav 通道亞型與痛覺有關。Nav 通道一直是治療癫痫、心律失常、精神障礙和疼痛障礙的主要藥物靶點。
Nav 通道上配體結合位點的結構作圖（圖源自 Channels ）
剖析 Nav 通道的工作和發病機制以及 Nav 靶向藥物的作用模式 ( MOA ) 需要不同功能狀态下的高分辨率結構。Nav 通道的簡化工作圖包括三種主要狀态：休眠、激活和未激活。在靜息膜電位下，Nav 通道不導電，PD 閉合，VSD 呈 " 向下 " 構象。作爲對膜去極化的響應，S4 螺旋被驅動到細胞外側以實現 " 上 " 構象。VSD 的運動導緻 PD 的打開，這一過程被稱爲機電耦合。激活後，通道在 1 ~ 2 ms 内迅速失活。在膜超極化時，Nav 通道從失活狀态釋放到靜息狀态，爲下一個工作周期做好準備。
冷凍電子顯微鏡 ( cryo-EM ) 技術和算法的突破爲近原子分辨率的 Nav 通道可視化提供了前所未有的機會。2017 年發表了真核生物 Nav 通道的第一個結構，即以美洲大蠊 ( Periplaneta americana ) 的短亞型命名的 NavPaS。幾個月後，研究人員報道了從電鳗 ( EeNav1.4 ) 中分離出的 β 1 結合的 Nav 通道的冷凍電鏡結構。這些研究揭示了不同于同四聚體 VGIC 的單鏈 Nav 通道的組裝原理和結構細節。出乎意料的是，這兩個結構在完全不同的狀态下被捕獲。NavPa 具有收縮的孔域結構，4 個 VSD 呈明顯的向上構象，而 EeNav1.4 的孔域結構在胞内門處松弛，4 個 VSD 均呈類似的 " 向上 " 狀态。最顯著的結構差異發生在短的 III-IV 連接體上。基于結構差異，研究人員提出了 IFM 基序快速失活 Nav 通道的 " 門楔 " 變構阻斷機制。
VSD 上的結合位點（圖源自 Channels ）
在随後的幾年裏，研究人員最終捕獲了人類 Nav1.1、Nav1.2 和 Nav1.4-Nav1.8 的結構，其中大部分與輔助亞基和毒素 / 藥物複合物。Catterall 和 Jiang 組分别報道了大鼠 Nav1.5 ( rNav1.5 ) 和人 Nav1.3 的結構。這些結構共同爲理解過去半個世紀積累的大量實驗和臨床數據提供了分子基礎。在這篇綜述中，将重點介紹 Nav 通道的結構藥理學的最新進展，這對未來合理的藥物開發提供了重要的見解。
參考消息：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19336950.2023.2287832
