Elucidating structures and molecular mechanisms of Pannexin channels

阐明 Pannexin 通道的结构和分子机制

基本信息

  • 批准号:
    10028649
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 47.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-07-02 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Purinergic signaling plays fundamental roles in activities of the nervous system as diverse as neuroprotection, synaptic transmission, nociception, inflammation, and taste. This process is initiated by releasing adenosine triphosphate (ATP) across the membrane through the classic exocytosis or ATP-permeable channels into the synaptic cleft; the ATP then binds downstream receptors on an adjacent cell. The pannexin family is one of the key ATP-permeable channels and consists of three family members, PANX1-3. PANX1 is the best characterized functionally, and it plays crucial roles in a variety of contexts, including blood pressure regulation, glucose uptake, apoptotic cell clearance, and human oocyte development. Although PANX2 and PANX3 have been less studied than PANX1, they are important in neuronal development, ischemia-reperfusion injury, and skin/skeleton development. Thus, the PANX channels have emerged as promising therapeutic targets for a diverse range of diseases. The PANX1-3 are nonselective, large-pore ion channels, and they are predicted to share a four-transmembrane- helix (4-TM) topology with connexins, innexins, and volume-regulated anion channels. Biochemical and physiological studies provide a consensus view that PANX family members form hexameric channels but do not form gap junctions. PANX can be modulated by various factors, including mechanical scratch, extracellular potassium, intracellular calcium, phosphorylation, and caspase-dependent cleavage, but the molecular mechanisms aren’t known. PANX1 activity is modulated by a wide range of small-molecule compounds, but most of them are not specifically targeting PANX1. There is currently no well-characterized agent that modulates the activity of PANX2 and PANX3. Although PANXs are central to human physiology and are potential targets of therapeutic agents, we do not know their structures. We do not understand, in molecular detail, how the channel is activated or inhibited, or how it is modulated by small molecules binding at specific sites. In this proposed work, we will carry out in-depth structural and functional studies of the three pannexin channels to understand how these molecules work. We have determined the first cryo-EM structure of human PANX1 in the apo state at 3.7 Å and found a heptameric assembly. We have also shown that human PANX1 can be purified in a native-like lipid environment. Building on this preliminary data, we propose to continue the structural studies of these family members, combined with complementary electrophysiology experiments, proteolipsome-based dye transfer assays, binding assays, and other functional approaches, to define the molecular basis for a comprehensive gating mechanism. We will also locate the binding sites of various drugs and the molecular basis underlying their actions on PANX channels, using a combination of structural and functional approaches. These advances will provide a solid foundation for developing new drugs against PANX-linked diseases and for a deeper understanding of the function of the ATP release channel family.
项目概要 嘌呤能信号在神经系统的各种活动中发挥着重要作用,如神经保护、 突触传递、伤害感受、炎症和味觉是通过释放腺苷启动的。 三磷酸盐 (ATP) 通过经典的胞吐作用或 ATP 可渗透通道跨膜进入 突触间隙;然后 ATP 与相邻细胞上的下游受体结合。pannexin 家族是其中之一。 PANX1-3 是关键的 ATP 通透通道,由三个家族成员组成,其中 PANX1 是最具特征的。 在功能上,它在多种情况下发挥着至关重要的作用,包括血压调节、葡萄糖摄取、 尽管 PANX2 和 PANX3 的研究较少。 比 PANX1 更重要的是神经发育、缺血再灌注损伤和皮肤/骨骼 因此,PANX 通道已成为多种有前景的治疗靶点。 疾病。 PANX1-3 是非选择性大孔离子通道,预计它们共享一个四跨膜 螺旋 (4-TM) 拓扑结构,具有连接蛋白、内连接蛋白和体积调节阴离子通道。 生理学研究提供了一个共识,即 PANX 家族成员形成六聚体通道,但不形成六聚体通道。 PANX 的形成间隙连接可以受到多种因素的调节,包括机械划痕、细胞外。 钾、细胞内钙、磷酸化和半胱天冬酶依赖性裂解,但分子 PANX1 活性受多种小分子化合物调节,但大多数机制尚不清楚。 其中不专门针对 PANX1 目前还没有特征明确的药物可以调节 PANX1。 尽管 PANX 是人类生理学的核心,并且是 PANX2 和 PANX3 的潜在目标。 治疗剂,我们不知道它们的结构,我们不了解该通道的分子细节。 被激活或抑制,或者如何通过特定位点的小分子结合进行调节。 在这项拟议的工作中,我们将对三个pannexin通道进行深入的结构和功能研究 为了了解这些分子的工作原理,我们确定了人类 PANX1 的第一个冷冻电镜结构。 3.7 Å 处的 apo 状态并发现了七聚体组装体 我们还表明可以纯化人 PANX1。 在类似天然的脂质环境中,基于这些初步数据,我们建议继续进行结构研究。 这些家庭成员,结合补充电生理学实验,基于蛋白脂质体 染料转移测定、结合测定和其他功能方法,以确定分子基础 我们还将定位各种药物的结合位点和分子基础。 使用结构性和功能性方法相结合,为他们在 PANX 渠道上的行动提供基础。 进展将为开发针对 PANX 相关疾病的新药和 更深入地了解 ATP 释放通道家族的功能。

项目成果

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