Using computer simulations to elucidate ion channel function

使用计算机模拟阐明离子通道功能

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-06864
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.7万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The trillions of cells in our body must communicate with each other. Information can be conveyed through small electrical signals generated by the movement of charged particles, ions, into and out of cells. Ions pass the cell membrane through pore-forming proteins called ion channels. Ion channels have multiple subunits and many moving parts, and open in response to a variety of stimuli. Currently, large gaps in our understanding of the molecular mechanisms underlying ion channel function impede insight into fundamental physiological processes. My research aims to fill these gaps for two types of ion channels that play crucial roles in our nervous system, e.g., in pain sensing and cognitive functions, or in muscle cells, e.g. critical for a stable heart rhythm. The mechanisms controlling the function of these ion channels are under-examined. Our short-term goal is to understand specific details in the mechanisms of these channels, relating to activation and regulation. This will provide fundamental insight on which we can build future projects. The long-term objective is to obtain an atomic-level description of how these ion channels work in a native environment, contributing to a detailed understanding of ion channel physiology. Ion channels open and close; therefore, dynamics are essential for function. Experimental methods can determine the three-dimensional structure, providing a model of the ion channel as a snapshot in time. Unfortunately, these are still images of particular states. To fully understand the molecular mechanisms involved in ion channel function, we must study the dynamics that tie the states together. My research uses computational simulations, which predict the motion of ion channels over time, illustrating changes in structure. In principle, these simulations work as a computational microscope and bring static structures to life. My team of graduate and undergraduate students will use dynamical simulations to study two types of activation for one ion channel and two types of regulation for another channel. Hence, we will obtain the first atomic-level description of activation and regulation mechanisms for these channels. Our research is central to driving the field forward as computer simulations can reveal details that other methods cannot. Without the ability to observe protein dynamics, a gap is left between structural and functional research. Simulations bridge this gap, as structures provide input for simulations that can explain functional experiments. Understanding molecular details of physiological function likely leads to pathophysiological insight. Hence, results from our fundamental NSE research can eventually be transferred to end users to improve drug discovery for two ion channels with large, unexploited pharmaceutical potential. This will benefit the Canadian pharmaceutical industry and Canadian population, through the design of improved drugs for treatment of, e.g., pain, stroke and hearth arrhythmias.
我们体内数以万亿计的细胞必须相互沟通。信息可以通过带电粒子(离子)进出细胞的运动产生的小电信号来传递。离子通过称为离子通道的成孔蛋白质穿过细胞膜。离子通道具有多个亚基和许多运动部件,并在各种刺激下开放。目前,我们对离子通道功能的分子机制的理解存在很大差距,阻碍了对基本生理过程的深入了解。我的研究旨在填补两种离子通道的空白,这两种离子通道在我们的神经系统中起着至关重要的作用,例如,在疼痛感知和认知功能中,或者在肌肉细胞中,例如,对稳定的心律至关重要。控制这些离子通道功能的机制尚未得到充分研究。我们的短期目标是了解这些通道机制的具体细节,与激活和调节有关。这将为我们构建未来项目提供基本的见解。长期目标是获得这些离子通道在自然环境中如何工作的原子水平描述,有助于详细了解离子通道生理学。离子通道打开和关闭;因此,动态对于功能是必不可少的。实验方法可以确定三维结构,提供离子通道的模型作为及时的快照。不幸的是,这些都是特定州的静态图像。为了充分了解离子通道功能的分子机制,我们必须研究将这些状态联系在一起的动力学。我的研究使用计算模拟,预测离子通道随时间的运动,说明结构的变化。原则上,这些模拟就像计算显微镜一样工作,并将静态结构带入生活。我的研究生和本科生团队将使用动态模拟来研究一个离子通道的两种激活类型和另一个离子通道的两种调节类型。因此,我们将获得这些通道的激活和调节机制的第一个原子水平描述。我们的研究是推动该领域向前发展的核心,因为计算机模拟可以揭示其他方法无法揭示的细节。没有观察蛋白质动力学的能力,在结构和功能研究之间留下了空白。模拟弥补了这一差距,因为结构为可以解释功能实验的模拟提供了输入。了解生理功能的分子细节可能会导致病理生理学的见解。因此,我们的基础NSE研究结果最终可以转移给最终用户,以改善具有巨大未开发的制药潜力的两个离子通道的药物发现。这将使加拿大制药业和加拿大人口受益,通过设计改进的药物来治疗诸如疼痛、中风和心律不齐等疾病。

项目成果

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  • 作者:
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Musgaard, Maria的其他文献

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知道了