線蟲STIM1結(jié)構(gòu)和功能的研究.pdf

1、細胞內(nèi)的鈣離子信號能夠調(diào)控多種細胞內(nèi)重要的生理過程，其中包括:肌肉收縮、基因轉(zhuǎn)錄、細胞生長與分化、細胞凋亡等。細胞內(nèi)鈣離子信號的產(chǎn)生主要是以細胞質(zhì)膜上的鈣離子通道為基礎(chǔ)，多種方式共同調(diào)控的。而鈣庫操縱鈣離子內(nèi)流(Store Operated Ca2+ Entry，SOCE)是其中一種主要的途徑。SOCE的過程是由于細胞內(nèi)的鈣庫（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或肌漿網(wǎng)）鈣離子的排空而導致細胞質(zhì)膜上鈣離子通道的激活，從而使得細胞外的鈣離子內(nèi)流。通過對這一過程的研究

2、，發(fā)現(xiàn)了在SOCE過程中有兩個蛋白家族起到非常重要的作用:一種是Orai蛋白家族，它是細胞質(zhì)膜上的鈣離子釋放激活的鈣離子通道(Ca2+ release-activated Ca2+channel，CRAC);另外一種則是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜或肌漿網(wǎng)膜上的單次跨膜蛋白STIM(Stromal interaction molecules)家族。STIM蛋白既是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣離子濃度的感受器，同時又能激活細胞質(zhì)膜上的Orai蛋白家族。但是由于一直缺少S

3、TIM1蛋白C端的結(jié)構(gòu)模型，這使得對STIM1分子是如何通過與Orai1分子相互作用從而激活CRAC通道的分子機制的研究受到了限制。
　　本研究利用X射線晶體學的方法解析了線蟲來源STIM1的coiled-coil區(qū)域(Caenorhabditis elegans STIM1 coiled-coil Region，Ce-STIM1-CCR)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，并結(jié)合人源STIM1的SOAR結(jié)構(gòu)域(hsSOAR)的晶體結(jié)構(gòu)，

4、通過細胞生物學以及生理學實驗，對CRAC通道激活的分子機制進行研究和分析。通過將Ce-STIM1-CCR的結(jié)構(gòu)與hsSOAR的結(jié)構(gòu)進行對比，發(fā)現(xiàn)在Ce-STIM1-CCR中存在一個與hsSOAR的結(jié)構(gòu)非常相似的結(jié)構(gòu)域(CeS-SOAR)。但是除此之外，在Ce-STIM1-CCR結(jié)構(gòu)中還發(fā)現(xiàn)了一段靠近CeS-SOAR'N端的小螺旋，這個片段與SOAR區(qū)域存在多種的相互作用。如果將這個片段從STIM1分子中敲除，發(fā)現(xiàn)在鈣庫鈣離子充足的情況下

5、，STIM1能夠持續(xù)性的激活Orai1通道，所以認為這個片段能夠使靜息狀態(tài)下的STIM1分子處于自抑制構(gòu)象，定義這個片段為抑制螺旋IH(Inhibitory Helix)。
　　根據(jù)本研究中所提到的兩個STIM1片段的研究成果，并結(jié)合現(xiàn)有的Orai1通道激活的相關(guān)信息，本文提出了可能的STIM1激活Orai1通道的分子模型:在靜息狀態(tài)下，STIM1是以SOAR介導的二體形式存在的，IH能夠與SOAR區(qū)域相互作用使得整個STIM1分

6、子處于自抑制的狀態(tài);當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣離子排空后，STIMI分子N端的EF-hand失去鈣離子，從而導致構(gòu)象的改變，N端SAM區(qū)域開始募集其它的STIM1分子而發(fā)生聚集，進而導致STIM1分子C端發(fā)生變構(gòu)，IH釋放出SOAR，使得SOAR能夠與細胞質(zhì)膜上的Orai1相互作用，STIM1分子將以二聚體為基本單位，通過SAM區(qū)域不斷的募集更多的STIM1分子，從而形成高聚，以此激活Orai1通道，使得細胞外的鈣離子內(nèi)流并且達到最大速度。

7、　　有研究發(fā)現(xiàn)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間存在一個連接區(qū)域。線粒體能夠攝取內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放到該區(qū)域的鈣離子。位于線粒體內(nèi)膜上的線粒體鈣離子單向傳遞體(Mitochondrial Ca2+ Uniporter, MCU)是線粒體鈣離子攝取過程中主要的鈣離子通道。近幾年，對MCU及其相關(guān)調(diào)控蛋白的研究迅速成為了熱點，其中MCUR1(Mitochondrial calcium uniporter regulator1)被報道是MCU的一個調(diào)控蛋白。本研究成

8、功的表達和純化了人源MCUR1蛋白，并且經(jīng)過晶體的初篩和優(yōu)化，得到了能夠進行X射線衍射的晶體。
　　本研究所提供的Ce-STIM1-CCR三維結(jié)構(gòu)以及后續(xù)的細胞功能實驗數(shù)據(jù)，為STIM1如何與Orai1相互作用，并調(diào)控Orai1通道的激活提供了重要的信息和依據(jù)，對進一步了解CRAC通道的調(diào)控機制以及SOCE過程具有重要意義。另外，本研究所提到的MCUR1的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，也為對線粒體鈣離子攝取過程及其調(diào)控機制的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。