孫飛研究組與合作者共同揭示骨骼肌三聯體介導興奮-收縮偶聯過程的原位結構基礎
2024年3月20日，中國科學院生物物理研究所孫飛研究組和大連化學物理研究所李國輝研究組在《Science Advances》雜志發表題為“In situ structural insights into the excitation-contraction coupling mechanism of skeletal muscle”的研究論文，該論文揭示了高等哺乳動物骨骼肌三聯體介導興奮-收縮偶聯過程的原位結構基礎。
在生物體內，骨骼肌的收縮與舒張是受神經系統控制的。神經系統傳遞來的化學信號經過一系列的轉變與傳遞過程最后形成肌肉的機械收縮行為，這個過程被稱為興奮-收縮偶聯。在骨骼肌中，肌細胞的細胞膜會內陷形成長而窄的膜性細管--橫管，而橫管通常會被兩側的終池夾在中間形成一種特殊的緊密結構稱為三聯體。在興奮-收縮偶聯過程中，橫管膜上的二氫吡啶受體（dihydropyridine receptors，DHPR）負責感受沿著橫管傳遞到肌細胞深處的電興奮，并將信號傳遞給肌漿網膜上的鈣離子通道蛋白--1型蘭尼堿受體（ryanodine receptors type 1，RyR1），繼而由RyR1釋放出肌漿網中儲存的鈣離子；之后，鈣離子會充當信號調控粗、細肌絲之間的相對滑動，引起肌肉的收縮與舒張。由此可知，三聯體上的RyR1是整個興奮-收縮偶聯過程中傳遞興奮信號的重要元件。2015年，顏寧研究組、施一公研究組與英國MRC的Sjors Scheres研究組合作，成功解析了兔源RyR1蛋白與其抑制蛋白FK506結合蛋白12（FKBP12）的復合體的3.8 ?高分辨率三維結構。2016年，北京大學基礎醫學部的尹長城研究組和孫飛研究組合作，在RyR1關閉態的基礎上解析了鈣離子激活的RyR1開放態4.2 ?分辨率的結構。然而，盡管 RyR1的高分辨率結構已經被解析，仍有一系列關于 RyR1功能的重要科學問題未被解決，包括 RyR1 在肌肉組織三聯體中如何分布、如何發揮上下游信號傳遞作用、如何產生信號的協同效應等。尤其是關于RyR1與DHPR之間的作用方式，盡管研究者推測骨骼肌中的RyR1與DHPR之間存在緊密、直接的物理偶聯，但該假說目前仍然缺少直接性的證據。
在該研究中，孫飛研究組基于前期工作基礎，進一步結合組織原位制樣方法和冷凍電子斷層三維重構技術，系統性地表征了骨骼肌中三聯體的精細原位結構。其中包括：解析了RyR1在骨骼肌16.7 ?分辨率的原位結構，發現在原位環境下RyR1與FKBP12和鈣調蛋白（Calmodulin，CaM）緊密結合；解析了RyR1-DHPR超級復合體的原位結構，發現了兩處連接密度，證實了RyR1與DHPR之間存在物理相互作用；發現RyR1在骨骼肌原位的“右手”對角鑲嵌排列模式，四個DHPR形成的四聯體以1：2的比例與RyR1結合；通過分子動力學模擬證明RyR1的“右手”對角鑲嵌排列對于其協同鈣釋放的必要性，解釋了相關遺傳病理數據。這些研究結果為RyR1和DHPR之間的物理偶聯提供了關鍵證據，為深入了解骨骼肌中的興奮-收縮偶聯分子機制提供了重要線索。
圖. 小鼠骨骼肌三聯體精細原位結構
中國科學院生物物理研究所孫飛研究員、朱赟研究員與大連化學物理研究所的李國輝研究員為本文的通訊作者。孫飛研究組已畢業的博士研究生徐嘉樹、李國輝研究組的副研究員廖晨伊為本文的共同第一作者。北京大學基礎醫學部的尹長城教授為本研究提供了重要指導。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等項目的資助。樣品制備、數據收集等工作得到了生物物理所蛋白質科學研究平臺生物成像中心相關工作人員的大力支持和幫助。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl1126
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（供稿：孫飛研究組）
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