轴突起始段蛋白-蛋白相互作用潜在影响动作电位的启动

doi:10.4103/1673-5374.295332

摘要/Abstract

摘要：

存在高密度轴突起始段蛋白电压门控钠离子通道（Na_v）的轴突起始段对于动作电位的启动至关重要。Na_v通道包含几个丝氨酸残基，这些残基负责通过与锚蛋白G的相互作用将Na_v通道聚积到轴突起始段的结构中。此次进行了一系列计算模拟研究，以了解轴突起始段蛋白酪蛋白激酶2和锚蛋白G在Na_v聚积到轴突起始段中的作用。使用虚拟细胞软件的计算模拟结果表明，具有所有可用于磷酸化的丝氨酸位点的Na_v通道以强亲和力与锚蛋白G结合。在较低的锚蛋白G和酪蛋白激酶2初始浓度下，Na_v的浓度明显降低，这表明了酪蛋白激酶2和锚蛋白G在Na_v通道聚积中的重要性。

https://orcid.org/0000-0001-8744-1578 (Don Kulasiri)

Abstract: The axon initial segment (AIS) region is crucial for action potential initiation due to the presence of high-density AIS protein voltage-gated sodium channels (Nav). Nav channels comprise several serine residues responsible for the recruitment of Nav channels into the structure of AIS through interactions with ankyrin-G (AnkG). In this study, a series of computational experiments are performed to understand the role of AIS proteins casein kinase 2 and AnkG on Nav channel recruitment into the AIS. The computational simulation results using Virtual cell software indicate that Nav channels with all serine sites available for phosphorylation bind to AnkG with strong affinity. At the low initial concentration of AnkG and casein kinase 2, the concentration of Nav channels reduces significantly, suggesting the importance of casein kinase 2 and AnkG in the recruitment of Nav channels.

Key words: Alzheimer’s disease, ankyrin-G, axon initial segment, casein kinase-2, microtubules, voltage-gated potassium channel, voltage-gated sodium channel ,

. 轴突起始段蛋白-蛋白相互作用潜在影响动作电位的启动[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2021, 16(4): 700-706.

Piyush Bhardwaj, Don Kulasiri, Sandhya Samarasinghe. Modeling protein-protein interactions in axon initial segment to understand their potential impact on action potential initiation[J]. Neural Regeneration Research, 2021, 16(4): 700-706.

参考文献

引言

出版重点

《中国神经再生研究（英文版）》杂志为SCI、PubMed数据库收录的国际唯一一本专注神经再生领域研究的经同行评议的开放获取期刊，出版来自全球神经再生领域专业学者的前沿性基础研究及临床研究及转化医学、循证医学优秀的最新成果。

期刊出版来自于脑损伤与神经再生、脊髓损伤与神经再生、周围神经损伤与神经再生和神经退行性病与神经再生、神经影像与神经再生的相关研究。期刊关注神经损伤与再生过程中的轴突再生、突触生长、神经可塑性、神经修复和替代、神经移植等最新研究成果。尤其关注应用细胞治疗、基因治疗、生物因子治疗、药物治疗、手术治疗、康复治疗、物理疗法、组织工程、生物工程、生物材料、神经假体等干预性方法产生神经再生效果的相关研究。文章应清晰描述抑制神经元损伤、减轻神经元损伤的一系列变化，保护损伤神经元的过程、方法、程度与评价，突出从细胞分子水平以及分子生物学水平解释神经元损伤后以及预后再生的机制。

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延伸阅读

Neural Regen Res：计算机数学模型揭示阿尔茨海默病发病机制

神经元之间通过动作电位进行交流对于神经系统执行其功能而言是必要的。多项研究已证实动作电位是在轴突起始段启动的。轴突起始段中的主要蛋白是电压门控钠离子通道（Na_v）、电压门控钾离子通道（K_v）、微管、酪蛋白激酶2和锚蛋白G。

神经元传递的任何改变都可能引起各种神经系统疾病，例如阿尔茨海默病、癫痫、精神分裂症和躁郁症。多项研究表明阿尔茨海默病与轴突起始段蛋白的相关性，并显示了阿尔茨海默病脑样本中锚蛋白G和Na_v通道的缺失。此外，轴突起始段结构中锚蛋白G的丧失可能通过改变分子运动的功能来干扰神经元内的蛋白运输，从而在阿尔茨海默病发病中起关键作用。

动作电位启动与轴突起始段中大量的Na_v通道有关，这些通道在其积累在轴突起始段中之前在其丝氨酸位点被酪蛋白激酶2磷酸化。此外，锚蛋白G在该区域募集了磷酸化的Na_v通道。磷酸化通道，酪蛋白激酶2和锚蛋白G的动力学将对动作电位启动起关键作用，并且这些相互作用的任何损害都可能解释了锚蛋白G与阿尔茨海默病发病机制的联系。因此，新西兰林肯大学的Piyush Bhardwaj等建立了一个数学模型，以研究Na_v通道积累到轴突起始段中之前酪蛋白激酶2的Na_v通道丝氨酸特异性磷酸化的作用。此外，还测试了酪蛋白激酶2和锚蛋白G初始浓度的变化对轴突起始段Na_v通道积累的影响。

结果表明，在Na_v通道中所有丝氨酸位点存在酪蛋白激酶2介导的磷酸化作用时，Na_v通道与锚蛋白G之间的结合具有很强的结合亲和力。结果显示了酪蛋白激酶2和锚蛋白G初始浓度对Na_v通道募集的意义。由仿真结果可见，较低的酪蛋白激酶2和锚蛋白G初始水平降低了轴突起始段 Na_v通道的数量。在低水平的酪蛋白激酶2下，Na_v通道未完全磷酸化，从而削弱了Na_v通道与锚蛋白G之间的结合。此外，在低的锚蛋白G浓度下，轴突起始段结构组装体被拆除，这可能会导致难以正确运输蛋白到Na_v通道等轴突起始段中。低水平的Na_v通道会增加启动动作电位所需的电压。总体而言，这些结果表明轴突起始段蛋白与阿尔茨海默病发病机制有很强的联系。关于阿尔茨海默病大脑中轴突起始段相关酪蛋白激酶2活性水平的研究可能为确定酪蛋白激酶2在阿尔茨海默病发病机制中的作用提供线索。

上述研究结果发表于《中国神经再生研究（英文版）》杂志2021年第4期。