近期，我校生命學(xué)院助理教授廖軍研究組與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院José D. Faraldo-Gómez研究組、德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心姜有星研究組合作，在國(guó)際一流學(xué)術(shù)期刊《Nature Structural and Molecular Biology》上發(fā)表了題為“Mechanism of extracellular ion exchange and binding-site occlusion in a sodium/calcium exchanger”的研究論文，闡明了鈉鈣交換體(sodium/calcium exchanger, NCX)處于朝外狀態(tài)時(shí)的離子交換與結(jié)合位點(diǎn)閉合的分子機(jī)制。廖軍為本論文共同第一作者和共同通訊作者，上科大生命學(xué)院為第一單位。

鈉鈣交換體廣泛分布于各類(lèi)細(xì)胞上,具有反向轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子（Ca²⁺）和鈉離子（Na⁺）的功能，是調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)最重要的繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之一。它在興奮型細(xì)胞中參與一系列生理活動(dòng)，例如胰島素的分泌、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的遷移分化、神經(jīng)遞質(zhì)的釋放以及心肌和骨骼肌細(xì)胞的興奮收縮耦聯(lián)等。在心肌細(xì)胞節(jié)律性的興奮收縮偶聯(lián)過(guò)程中，鈉鈣交換體被認(rèn)為對(duì)調(diào)控鈣瞬流（calcium transient）起到關(guān)鍵作用。在病理?xiàng)l件下，鈉鈣交換體的活性異常或蛋白表達(dá)失調(diào)可以導(dǎo)致心衰、心律失常以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的病變。

廖軍與合作者研究的鈉鈣交換體（NCX_Mj）來(lái)自產(chǎn)甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）。在他們以前的工作中（Science (2012) 335, 686-690），研究人員通過(guò)分析離子結(jié)合中心的結(jié)構(gòu)特征，提出了鈉鈣相互作用的拮抗模型，來(lái)解釋交換反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)和協(xié)同性。在最新的工作中，他們分析了離子結(jié)合中心被Na⁺、Ca²⁺或鍶離子（Sr²⁺）結(jié)合的多種狀態(tài)，以及處于空置狀態(tài)的鈉鈣交換體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析離子中心與離子的結(jié)合模式、構(gòu)象變化以及相對(duì)親和力的關(guān)系，他們揭示出鈉鈣交換體處于朝外狀態(tài)時(shí)，Na⁺控制蛋白構(gòu)象由部分開(kāi)放轉(zhuǎn)為閉塞的機(jī)制，并進(jìn)一步解釋了鈉鈣交換的化學(xué)計(jì)量學(xué)為何主要是3Na⁺:1Ca²⁺，以及為何也可以是2-4Na⁺:1Ca²⁺。對(duì)NCX_Mj的分子動(dòng)力學(xué)模擬和構(gòu)象自由能圖也獨(dú)立地驗(yàn)證了不同的離子占據(jù)狀態(tài)下NCX_Mj的結(jié)構(gòu)變化。

自1968年發(fā)現(xiàn)鈉鈣交換體以來(lái)，人們對(duì)其功能做了大量研究，其中一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，鈉鈣交換體存在下列特性：首先，鈉鈣交換體有兩類(lèi)陽(yáng)離子結(jié)合位點(diǎn)，第一類(lèi)可以結(jié)合一個(gè)Ca²⁺或1-2個(gè)Na⁺；第二類(lèi)結(jié)合至少一個(gè)Na⁺。其次，鈉鈣交換體只有在結(jié)合了3個(gè)Na⁺時(shí)才能實(shí)現(xiàn)鈉鈣交換。廖軍與合作者的最新研究工作，從原子水平解釋了鈉鈣交換體的上述特性。

相關(guān)文章鏈接：http://www.nature.com/nsmb/journal/v23/n6/full/nsmb.3230.html

朝外狀態(tài)的NCX_Mj與Na⁺的結(jié)合

鈉鈣交換體朝外狀態(tài)時(shí)離子交換的結(jié)構(gòu)機(jī)制