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机械力敏感离子通道NompC的门控与通透机理研究

批准号:
32071251
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
宋晨
依托单位:
学科分类:
物理生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋晨

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
机械力感知是生物体对外界物理刺激的一种基础感知能力,人们熟知的触觉、听觉和平衡感等,都是对外界机械力感知的表现,而机械力敏感离子通道在这一感知过程中起到了重要的触发器作用。从果蝇中发现的NompC机械力敏感离子通道,与之前广泛研究的感受膜表面张力的机械力敏感离子通道迥然不同,是目前所知的Tethered机械力敏感离子通道的唯一模型。NompC的结构在2017年得到了解析,但是该离子通道对机械力的响应机理仍不明晰。本项目拟采用大规模分子动力学模拟的方法,系统地研究NompC这一特殊的机械力敏感离子通道受到不同形式的机械力刺激时,将发生怎样的构象变化,从而确定何种形式的机械力能够驱动该离子通道开启。同时,我们也将着重研究该蛋白的Ankyrin Repeats区域的力学性质,包括其杨氏模量,剪变模量,扭转常量,以及机械力在该区域的传递速度等。本项研究预期会发现离子通道的机械力门控的新机理。
英文摘要
Mechano-sensation is one of the most fundamental ability of living organisms to sense external mechanical stimuli. Sensations such as touch, hearing and balance, which are essential for our survival, all started with mechano-sensation. In this process, mechanosensitive ion channels play a critical role as mechano-sensors, which will be opened in response to various forms of mechanical forces, allowing ions to permeate and initiate the downstream signalling. NompC is a unique ion channel found in Drosophila Melanogaster, which serves as the only known model of the tethered mechanosensitive ion channels. The Cryo-EM structure of NompC was obtained in 2017, but its detailed gating mechanism is yet to know. In this project, we plan to perform extensive molecular dynamics simulations to systematically investigate the conformational changes of NompC in the presence of various mechanical forces, thus to reveal which types of forces can lead to the opening of the channel. We will also study the mechanical properties of the ankyrin repeat region, which may act as a spring during the gating process. The Young's modulus, shear modulus, torsion constant and force transfer velocity will be calculated by all-atom molecular dynamics simulations. We expect that a new mechano-gating mechanism of ion channels will be revealed in this project, which can help people to further understand the mechano-sensation of living organisms.
NompC是一种机械力敏感离子通道,属于瞬时受体电位(Transient Receptor Potential, TRP)家族,在黑腹果蝇的触觉和平衡感知中发挥关键作用。通过全原子分子动力学模拟,利用冷冻电镜解析的高分辨率结构,结合电生理实验,我们系统研究了NompC通道门控的原子尺度的门控机制。研究表明,NompC可以通过细胞内AR(Ankyrin Repeat)结构域的压缩而开启,而拉伸力无法触发通道的开启,结合对AR结构域的压缩力学性质的分析,提出push-to-open门控模型。进一步分析显示,LH(Linker Helix)结构域在AR和TRP结构域之间起桥梁作用,将压缩力转化为作用于TRP结构域的顺时针扭矩(胞内视角),从而直接诱导通道的开启。AR结构域的螺旋结构和氢键网络支持其独特的压缩-扭转耦合特性,确保了外部机械刺激向TRP结构域的有效力传导。基于此,我们提出了一个更细致的twist-to-open模型,以更完整地描述NompC蛋白的门控过程,我们推测这一机制可能在其他TRP通道的门控过程中起相似的作用。此外,研究还揭示了膜曲率对NompC门控的调控作用。分子动力学模拟表明,在脂质双层膜内小叶加入OAG脂质可以增加NompC激活的概率,引发的膜内向弯曲导致跨膜孔道螺旋倾斜角度的变化,同时TRP结构域顺时针旋转。这一现象与膜弯曲方向的调节有关,表明膜曲率可能是调控NompC功能的重要因素。整体而言,本研究系统研究了多种机械力刺激对NompC通道的开启机理,为理解机械力敏感离子通道的机械信号-电信号转化机制提供了新的理论基础。
钙离子模型的发展及其在生物体系计算中的应用
  • 批准号:
    21873006
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    宋晨
  • 依托单位:
国内基金
海外基金