2017 年 1 月 18 日，生命中心李雪明研究组与哥伦比亚大学生物科学系杨建研究组合作在《Nature》杂志在线发表题为《Structure of a eukaryotic cyclic-nucleotide-gated channel》的研究论文，该工作通过原子分辨率冷冻电镜技术首次揭示了秀丽线虫（Caenorhabditis elegans）的环核苷酸门控离子通道（cyclic-nucleotide-gated channel, CNG)TAX- 4 的全长结构。该结构被解析后发现处于与 cGMP 配体结合时的开放状态。通过一系列的结构分析和生化验证，该工作研究了 CNG 离子通道各组成单元的功能和相互作用，阐释了 CNG 通道开关的分子机制。
脊椎动物的视觉和嗅觉很大程度上与一类称为 CNG 离子通道的膜蛋白复合物有关，这类分子可以将光或者气味信号转变为生物电信号。尽管这个通道在结构和序列特征上属于电压门控离子通道家族，但其开关并不受膜电压控制，而是与细胞内的环核苷酸配体有关。在视细胞中，感光色素的光激活会降低细胞内 cGMP (the cyclic guanosine monophosphate) 配体的浓度，从而导致 CNG 通道关闭，使细胞膜产生超极化。在嗅觉神经元中，嗅觉受体被气味分子激活致使细胞内 cAMP (the cyclic adenosine monophosphate) 配体浓度增加，导致 CNG 通道开放，使细胞膜去极化。CNG 通道主要在中枢神经系统中表达，在一些研究中已经发现，一些视觉病变，如失明和色盲，与 CNG 基因中某些位点的突变有关。因而，对 CNG 通道的结构研究对理解相关的致病机理和生物学过程有重要意义。
a, Cryo-EM density map of TAX-4. Dashed lines mark the membrane boundaries. b, TAX-4 structure, viewed parallel to the membrane (left) and from the extracellular side (right). c, Structure of a TAX-4 protomer, viewed parallel to the membrane. Different regions (S1–S6, P-loop, C-linker and CNBD) are illustrated in different colours. d, Intersubunit interface in the TAX-4 TMD. e, Superposition of the TMDs of TAX-4 and the Kv1.2–2.1 chimaera (Protein Data Bank (PDB) accession number 2R9R), aligned by S5 and S6.
利用原子分辨率的冷冻电镜，该工作首次解释了为什么 CNG 通道虽然具有电压门控离子通道的诸多特征但是不受膜电压调控的结构机理。分析发现，这个通道结构具有一个异于其他电压门控离子通道的类电压感受结构域，致使此通道对电压不敏感。通过对 cGMP 结合位点与周围结构的相互作用的分析，该工作进一步阐述了 cGMP 打开通道的方式，以及离子选择性过滤器的工作机理。此外，在结构解析中发现，分离提纯获得的蛋白复合物在结构上并不均一，除了期望的四重对称结构之外，还存在一些局部结构受损或不稳定的复合物。通过采用一种有监督分类的图像处理方法，该工作成功地将受损或结构不稳定的复合物分离去除，最终保证了 3.5?原子分辨率结构的获得。
该论文工作是李雪明研究员在原子分辨率冷冻电镜结构解析方法应用研究中的重要组成部分。杨建教授和李雪明研究员为本工作的共同通讯作者。哥伦比亚大学和昆明动物所的李明辉博士、清华大学生命学院四年级 CLS 直博生周晓元和中科院昆明动物所的王树副研究员为本文共同第一作者。该工作的冷冻电镜数据采集在国家蛋白质科学设施（北京）的清华大学冷冻电镜平成，数据处理在国家蛋白质科学设施（北京）清华大学生物高性能计算平成。该工作获得了生命科学联合中心、北京市结构生物学高精尖创新中心、中组部青年千人项目、国家自然科学基金委面上项目、云南省科技厅海外高端人才、云南省高层次人才项目以及美国国立卫生研究院等多项经费支持。愚愚学园
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