兴奋-收缩偶联是一种将肌细胞膜的动作电位与肌肉收缩联系起来的精细协调过程,由位于细胞膜和内质网膜上的大分子钙离子释放复合物控制。钙离子释放复合物组成主要包括二氢吡啶受体、鱼尼丁受体、triadin和CLIMP-63等,其正常功能由多个辅助蛋白以及生物膜的空间位置维持和调控。论文的第一部分专注于杀虫剂靶标的结构研究。近年来开发的双酰胺类杀虫剂通过靶向昆虫钙离子释放复合物导致害虫停止摄食、收缩性麻痹和最终死亡,对鳞翅目害虫高效,同时对非靶标物种低毒,对环境污染小,全球销量超过12亿美元,约占杀虫剂市场的8%。然而,蜜蜂的长期毒性是二胺杀虫剂面临的一个主要问题。昆虫授粉占总授粉活动的80%,而蜜蜂占昆虫授粉的80%。世界各地昆虫传粉媒介的减少严重影响了生态系统和农业生产力。先前研究发现双酰胺类杀虫剂可以结合蜜蜂钙离子释放复合物,长期暴露可导致蜜蜂持续的运动缺陷。我们先前通过冷冻电子显微镜结构研究揭示了双酰胺类杀虫剂作用于钙离子释放复合物中的鱼尼丁受体的跨膜区,结合位点在害虫和蜜蜂中高度保守。针对害虫鱼尼丁受体非跨膜区的非保守功能域开发高选择性杀虫剂是解决蜂毒问题的一个潜在策略。本课题利用X射线蛋白晶体学解析了蜜蜂鱼尼丁受体N端结构域的晶体结构,分辨率为2.5?。晶体结构揭示了蜜蜂、害虫和哺乳动物鱼尼丁受体N端结构域的差异,主要结构区别位于相邻亚基之间的界面。由环9和环13形成的潜在杀虫剂结合口袋在鳞翅目昆虫中是保守的,但在哺乳动物和蜜蜂中都不同,使其成为开发害虫选择性杀虫剂的良好候选靶向位点。此外,在害虫和蜜蜂鱼尼丁受体N端结构域晶体结构中均观察到保守的域内二硫键,解释了为何昆虫鱼尼丁受体N端结构域具有更高的热稳定性。此项工作为开发蜜蜂友好型高选择性绿色杀虫剂提供了重要的结构模板和理论基础。论文的第二部分专注于儿茶酚胺过敏性室性心动过速（CPVT）的机理研究。CPVT是一种运动或压力诱发的高度恶性的遗传性心律失常性疾病。患者通常带有家族遗传突变于编码钙离子释放复合物的若干基因,包括鱼尼丁受体、triadin、钙调蛋白、肌集钙蛋白基因等。除β受体阻滞剂外,目前没有有效的药物治疗方法。由于CPVT涉及多个与细胞内钙释放相关的重要蛋白,其致病分子机理目前仍不明了,阻碍了疾病的诊断和个性化治疗药物的开发。本项目利用结构生物学和生物物理方法,系统研究了位于triadin蛋白上的两个导致CPVT突变。triadin位于内质网膜,与钙离子释放复合物中的鱼尼丁受体、CLIMP-63、肌集钙蛋白以及细胞骨架结构等直接结合。我们通过分子互作实验证明triadin带有CPVT突变的管腔内螺旋结构域与CLIMP-63有直接相互作用,此作用是由CLIMP-63的第三段螺旋卷曲结构域介导。有意思的是两个引起CPVT的疾病突变E331K和S339N均可减弱triadin与CLIMP-63的结合。通过大量的结晶条件筛选,我们已经得到了CLIMP-63第三段螺旋卷曲结构域的蛋白晶体和X射线衍射图谱,目前结构解析正在进行中。本研究解释了由TRDN基因突变引起的CPVT的可能致病机理,对疾病的诊断和相关药物的开发具有指导意义。