环核苷酸门控通道
11.1 简介
主要通过直接结合细胞内的环核苷酸而激活的离子通道已经进化为调节环核苷酸合成或破坏的细胞内通路的阳离子非选择性转导器。这些通道在感觉系统中起着至关重要的作用，它们将外部刺激输入产生的化学信号（(cGMP/cAMP) 的细胞内浓度变化）解释为通过通道孔阳离子电导率变化的电反应。环核苷酸门控 (CNG) 通道是同源亚基的四聚体复合物，每个亚基贡献一个环核苷酸结合域 (CNBD)，它是离子传导途径的一部分，也是将 cGMP 或 cAMP 结合转化为通道开口的基本机制。
在这里，我们回顾了它们的功能和结构特性，以及它们的生理和病理生理学贡献，重点关注新的结构和机制信息。
11.2 CNG 通道的生理作用
CNG 通道最典型的作用是在感觉受体神经元中，它们有助于将感觉信息转换为电反应。在脊椎动物的视杆和视锥光感受器中，这些通道在没有光的情况下传导阳离子电流（“暗电流”）；光受体（视蛋白）的光激活会激活 GT 蛋白，进而激活 cGMP 特异性磷酸二酯酶 (PDE)，导致 cGMP 水解和 CNG 通道关闭（图 11.1）。通道活性降低会导致膜超极化，并减少神经递质释放到二级细胞。此外，位于光感受器突触处的 CNG 通道已被证明可以调节突触传递并介导一氧化氮的作用。
CNG 通道对于嗅觉传导也至关重要。嗅觉传感神经元通过驱动 Golf 激活的多种 G 蛋白偶联受体检测气味，从而刺激腺苷酸环化酶 (AC)，从而导致 cAMP 的产生增加。增加的 cAMP 会打开嗅觉 CNG 通道，通过 Na+/Ca2+ 进入和通过打开 Ca2+ 激活的氯离子通道进行扩增使嗅觉神经元去极化。嗅觉受体神经元的一个子集利用 cGMP 信号传导成分，包括专门的 CNG 通道，而不是主要嗅觉神经元中发现的基于 cAMP 的成分。
CNG 通道在多种细胞类型和位置中表达，据推测，除了对视觉和嗅觉信号的典型贡献外，它们还具有其他功能作用。CNG 通道可以参与其他感觉通路和系统，包括味觉submodalities 、前庭和耳蜗毛细胞 ，以及下丘脑神经元 和 Grueneberg 神经节神经元 中的冷感应通道。 CNG 通道也可能在神经元发育和重塑中发挥作用，因为它们已被证明有助于神经生长锥的引导和形态，并可能促进脊髓损伤后的修复 。此外，CNG 通道似乎对痛觉处理很重要，CNGA3 亚基在抑制性中间神经元和/或神经胶质细胞中发挥作用，调节啮齿动物的炎症疼痛，而 CNGB1 亚基有助于神经性疼痛反应 (。除了提出的疼痛相关功能外，CNG 通道还在其他 CNS 位置的神经元和神经胶质细胞中表达，它们可能调节神经发生、神经胶质细胞功能以及海马和杏仁核内的突触可塑性和学习。最后，有证据表明 CNG 通道对血管内皮细胞钙内流具有功能重要性。
11.3 CNG 通道亚基多样性和结构组织
哺乳动物中有 6 个旁系同源基因编码 CNG 通道的基本构建块（亚基）（图 11.2）：CNGA1、CNGA2、CNGA3、CNGA4；以及进化上不同的基因 CNGB1 和 CNGB3。同源 CNG 通道存在于系统发育景观的更远部分，包括秀丽隐杆线虫的 TAX2 和 TAX4、植物 CNG 通道和细菌 CNG 通道。此外，存在扩展的亚基多样性，CNG 通道同源物的特征是谱系（例如，硬骨鱼类）经历了额外的全基因组复制事件。哺乳动物 CNG 通道是六种可能的成孔亚基的某种组合的同源或异源组装（图 11.2）。
只有 CNGA1-3 亚基在单独表达时才能形成功能性通道，但与调节亚基共组装可以调节通道特性和调节，以适应它们在不同细胞类型中发挥的特殊作用。已充分表征的亚基组合包括视杆光感受器的 A1/B1、视锥光感受器的 A3/B3 和嗅觉受体的 A2/A4/B1（图 11.2）。其他可能的亚基组合可能存在于其他细胞类型中。
CNG 通道是孔环、阳离子选择性离子通道超家族的一部分，其基本结构类似于四聚体电压依赖性 K+ 通道，每个 CNG 通道亚基都有一个跨膜离子转运模块，功能上分为电压传感器域（VSD；S1-S4）和成孔域（S5-孔环/螺旋-S6），有助于离子传导途径和门控。每个 CNG 通道亚基还呈现细胞质氨基 (N) 末端和羧基 (C) 末端结构域，CNBD 位于 C 末端区域内。 C 连接域（也称为“门控环”）将 CNBD 连接到成孔域，用于将配体结合与通道开放偶联。
CNG 通道的近亲是电压依赖性的：超极化激活的环核苷酸调节 (HCN) 通道和电压门控钾通道的 KCNH 家族，它们具有包含“内在配体”的环核苷酸结合同源域 (CNBHD)。在跨膜离子转运单元的水平上，CNG 通道和这些近亲都呈现出a non-domain-swapped configuration for the VSD relative to the pore domain（图 11.2），因此 VSD 与同一亚基内的孔单元相关。
CNG 通道中存在的残留 VSD 似乎与门控机制脱钩，cGMP 表观亲和力仅表现出较弱的电压依赖性。与电压依赖性通道 VSD 中的 S4 相比，CNG 通道结构始终显示出 S4 螺旋片段，该片段被分割且有序性较低。然而，当移植到电压依赖性通道亲属中时（a），或（b）在孔螺旋和 VSD 之间的界面处进行选择性突变后，该 VSD 可以支持电压感应，这似乎可以重新激活电压敏感性。
CNG 通道在 C 连接子/门控环和 CNBD 水平上的基本结构组织显示出“域交换”特征，在同源和异源通道中提供亚基间接触。此外，亚基间 N–C 相互作用是 CNG 通道的一个典型特征，在通道调节中发挥着复杂的作用，尽管目前缺少有关这些 N–C 相互作用的详细结构信息。另一个已定义的结构元素位于 CNGA 亚基的后 CNBD 区域，是亮氨酸拉链 (CLZ) 结构域，已被证明在通道组装和亚基化学计量中发挥重要作用。除了差异表达亚基的组合组装外，CNG 通道多样性还源于前体 mRNA 的可变剪接。通过可变剪接产生 CNG 通道亚基变体首次被描述用于 CNGB1 基因。CNGB1 长和短异构体分别在视杆光感受器和嗅觉受体神经元中表达 。此外，可变剪接可以产生两种可溶异构体，代表 B1 的 N 端富含谷氨酸的蛋白质 (GARP) 结构域，而不包含通道形成区域。研究表明，B1a 的 GARP 结构域和相关可溶形式对蛋白质-蛋白质相互作用和门控调节至关重要 。此外，CNGA3 转录本通过可选盒式外显子产生亚基异构体，这些外显子编码 N 端胞质结构域的区域 (图 11.2)。虽然 CNGA3 的可变剪接在远亲物种中是保守的，但一些合并的可选外显子和产生的确切剪接模式在直系同源物之间可能有所不同。 CNGA3 可变剪接似乎主要控制对第二信使和其他调节事件的调节的敏感性（Bönigk 等人，1996；Dai 等人，2014）而不是基本通道属性。
11.4 CNG 通道的门控
CNG 通道由环核苷酸与环核苷酸结合域的直接结合激活，通常没有通道脱敏（图 11.3）。环核苷酸结合诱导 CNBD 的构象重排，并通过C 连接子/门控环传导至跨膜成孔模块，最终打开通道门以允许离子传导。
11.4.1 CNBD 处的配体结合
对于 CNG 通道，表观配体亲和力和配体功效因亚基组成而异，但对于大多数通道，cGMP 比 cAMP 起更好的激动剂作用（图 11.3）。CNBD 由三个 α 螺旋（A-、B- 和 C-螺旋）和一个 β-roll 结构域组成，有 8 条 β 链位于 A-螺旋和 B-螺旋之间（图 11.4）。
CNBD β-roll 内的几个保守残基协调配体结合步骤以及与环核苷酸的核糖和环磷酸盐部分的相互作用。重要的是，β-6 和 β-7 链之间环内的保守甘氨酸和谷氨酸与核糖的 2-OH 相互作用，而保守的 β-7 链精氨酸与 cGMP 或 cAMP 的环磷酸盐相互作用；将此 R 突变为 E 会显著降低配体亲和力，但不会改变配体功效。因此，这种 R 到 E 突变已被用于选择性地“消融”配体结合位点，以研究亚基对结合和活化的贡献。此外，与该精氨酸相邻的苏氨酸对于配体对接很重要，并且有助于 CNG 通道中 cGMP 而不是 cAMP 的选择性。总之，β-roll 与配体的相互作用被认为主要决定了对不同环状核苷酸的初始结合亲和力。在初始配体对接事件之后，CNBD C 螺旋关闭并向膜方向平移，与环状核苷酸的嘌呤环相互作用，并且该运动通过通道的其他部分与开放构象变化耦合（Varnum 等人，1995 年；Evans 等人，2020 年；Rheinberger 等人，2018 年）。此外，C 螺旋本身的螺旋结构的稳定化与促进配体结合后的通道开放有关（Puljung 和 Zagotta，2013 年）。最近的结构研究证实，cAMP 以反构型（嘌呤环相对于环状核苷酸核糖的方向）与 CNBD 结合，而 cGMP 以顺构型与 CNBD 结合（Xue 等人，2022 年）。 C 螺旋和配体之间的相互作用被认为主要决定了配体的功效。
对于 CNG 通道，配体的选择性高度依赖于位于 C 螺旋 C 末端附近的配体鉴别残基（A1 和 A3 中的天冬氨酸；A2 中的谷氨酸）（图 11.4）。对于这些 CNGA 亚基，D/E 残基被认为是
图 11.3
CNG 通道的多种配体功效和表观亲和力。（A）在应用（条）饱和浓度的 cGMP、cAMP 或无环核苷酸（黑色）期间，以 -60 mV 连续记录表达 CNGA3 通道的内外贴片。（B）在饱和或低 cGMP 下以 +80 mV 进行代表性 CNGA3 单通道记录，有或没有细胞外 MMP 修饰。 (C) 同源 CNGA1、CNGA2 和 CNGA3 通道激活的代表性 cGMP 剂量反应关系。连续曲线表示使用 Hill 方程的拟合，其参数如下：对于 A1，K1/2，cGMP = 33.0 µM，h = 2.0；对于 A2，K1/2，cGMP = 1.9 µM，h = 2.0；对于 A3，K1/2，cGMP = 9.8 µM，h = 2.0。 (D) 同源通道激活的代表性 cAMP 剂量反应关系。Hill 参数如下：对于 A1，K1/2，cAMP = 1.40 mM，h = 1.6；对于 A2，K1/2，cAMP = 49.2 µM，h = 2.0；对于 A3，K1/2，cAMP = 1.18 mM，h = 1.5。虚线表示图 A 中 A2 的 cGMP 剂量反应
关系，强调了 cGMP 的激动剂选择性。
图 11.4
CNBD 和 C-linker 模块偶联配体与孔门控结合的模型。 (A) 单个 CNGA1 亚基
(洋红色) 在背景 A1/B1 四聚体 (灰色) 的背景下描绘，结合 cGMP (PDB 7RHH)。 标出了 C-linker 区域的 A 到
F 螺旋、β-roll 区域以及 CNBD 的 A-、B- 和 C-螺旋。 还突出显示了 β-roll 内对初始配体结合很重要的三个关键残基 (E544，红色；R559，
黄色；T560，青色)。 数字突出显示配体结合和门控转换的一般序列；虚线圆圈突出显示相邻亚基的 C/D 和 A/B 螺旋之间的亚基间耦合。（B）CNBD C 螺旋在旁系同源物中的序列比对；突出显示关键配体鉴别位点。（C）轨迹显示 CNGA3 中 D609M 突变后的反向激动剂功效。通过饱和 cGMP（1 mM）或 cAMP（10 mM）引发电流。（D）序列比对显示通道旁系同源物的保守疏水门（黄色），具有额外的 B1/B3 细胞质收缩（橙色）。（E）CNGA1（PDB 7LTF,7LFW）孔模块内的门控构象变化；选择性过滤器（黄色，E365 标记）；F389/V393 门（紫色）；P，孔螺旋。中央门收缩：关闭/apo 状态下半径约为 1Å，打开/cGMP 结合状态下半径 >4Å (Xue 等人，2021)。
与 cGMP 呈现有利的静电相互作用，但与
cAMP 呈现不利的相互作用，可能是由于侧链负电荷与腺嘌呤 N1 处 sp2 轨道中未共享电子对之间的排斥 (Varnum)等，1995 年）。
这些差异有助于使 cGMP 几乎成为 A1 和 A3 通道的完全激动剂，而 cAMP 成为部分激动剂。A2 对 cGMP 的选择性也高于 cAMP，对 cGMP 的亲和力明显比对 cAMP 的亲和力高约 25 倍（图 11.3）。将天冬氨酸突变为疏水性蛋氨酸（A1-D604M；A3-D609M）可逆转配体选择性（图 11.4）（Varnum 等，1995 年）。B1 和 A4 内等位残基也有助于解释含有这些亚基的异源通道 cAMP 功效增加的原因（Pagès 等，2000 年；Shapiro 和 Zagotta，2000 年）。B3 亚基直系同源物在此位置呈现赖氨酸。
然而，B3 亚基似乎并不专门区分 cGMP 和 cAMP；相反，cAMP 功效的增加可能反映了更有利的内在、配体独立的门控能量，正如与 A3 同源体相比，A3/B3 通道的自发开放概率增加所表明的那样。在 CNBD 水平上，CNG 通道的每个亚基都贡献了四个 cGMP 或 cAMP 结合位点之一；然而，在异源通道中，B1 或 B3 亚基可能不会以与 CNGA 亚基相同的方式参与与通道门控相关的配体依赖性转变。有趣的是，与 cGMP 与 A1 亚基结合相比，cGMP 与 B1 亚基结合在 CNBD 中产生的 C 螺旋构象变化不那么强 (Barret 等人，2022a 2022；Xue 等人，2022)。这种不对称性可能反映了 B1 亚基在传递其 CNBD 处的结合事件方面的作用更有限，因此对配体依赖性开放过程的整体贡献较少的能量。
11.4.2 通过 C-连接子模块到 CNG 通道孔门控制构象变化
最近的研究巩固了我们对通道开放过程中配体结合事件与 CNG 通道孔模块通讯的结构机制的理解，这些与先前对连接 S6 和 CNBD 的 C-连接子/门控环区域的生物物理研究一致（Gordon 和 Zagotta，1995 年；Zong 等人，1998 年；Zhou 等人，2004 年）。在配体对接、C 螺旋易位和稳定化以及其他 CNBD 构象变化之后，CNBD 的运动与 C 连接体模块的 E/F 和 C/D 螺旋耦合（图 11.4）。这种转变似乎通过相邻亚基的 C/D 螺旋（肩部）到 A/B 螺旋（肘部）在亚基之间传递，亚基间构象重排促进了与 TM/孔模块的状态依赖性 A/B 相互作用，从而诱导 S6 扩张和旋转，打开渗透途径内的门（Evans 等人，2020 年；Zheng 等人，2020 年；Rheinberger 等人，2018 年；Xue 等人，2021 年）。总体而言，结构证据表明 CNG 通道的开放构象涉及细胞质门控机制的净向上平移（和扭曲）。其他证据支持在配体结合、开放状态下通道细胞内/细胞质方面的这种压缩和灵活性降低，而位于通道细胞外表面的孔塔区域的结构刚性则相应降低（Mazzolini 等人，2018 年）。有趣的是，在 A1/B1 通道内，B1 亚基将 cGMP 结合传递到相邻 A1 亚基的方式似乎存在明显的不对称性，有显著证据表明亚基独立，B1 与通道其他区域（包括孔门）的耦合最小或不完全（Barret 等人，2022a；Xue 等人，2022 年）；这种门控不对称可能受到 B1 依赖性调节的影响（Barret 等人，2022b）。
环核苷酸门控通道 171
与电压依赖性 K+ 通道不同，CNG 通道的主要孔门不位于内螺旋束交叉处（Flynn 和 Zagotta，2001；Contreras 和
Holmgren，2006；Nair 等人，2009）。此外，最近的结构信息表明，孔内的主要门控构象变化（在 CNBD 处存在或不存在结合 cGMP 的情况下）意外地不会发生在选择性过滤器上。相反，
CNG 通道孔门位于中央腔的水平，由四个亚基各自贡献的两个庞大的
疏水侧链（大多数 CNGA/CNGB 亚基中的苯丙氨酸和缬氨酸/异亮氨酸）形成（图 11.4）（Zheng 等人，2020 年）。B1 和
一些 B3 直系同源物在牛 B1/
人 B3 中的 R880/R442 处也表现出额外的孔收缩，这可能意味着至少对于一些异源 CNG 通道而言，存在一个额外的细胞质入口门（Zheng 等人，2022 年）。此外，在 A1/B1 通道中，孔腔内的开放疏水门不对称扩张。 A1/B1（但不是 A1 同源体）孔内的这种不对称配置被认为有助于
为 L-顺式地尔硫卓阻断配置一个独特的结合位点（Xue 等人，2022 年）。
11.4.3 CNG 通道激活方案和亚基贡献
几种不同的 b生物物理方法和激活方案已用于解释 CNG 通道的门控行为。Monod-Wyman-Changeux (MWC) 协同变构模型 (Monod 等人，1965) 可用于描述配体结合和通道激活 (Goulding 等人，1994；Varnum 和 Zagotta，1996)。该模型的一个优点是它可以解释在没有配体的情况下观察到的自发开放事件，这反映了通道不依赖于配体的内在门控特性。对于同源 CNG 通道，自发开放概率 (Psp) 的排序估计为（从低到高）：A1，Psp = ~10–5；A3，Psp = ~10–4；和 A2，Psp = ~10–3 (Ruiz 和 Karpen，1997；Tibbs 等，1997；Gerstner 等，2000)。此外，已证明 B3 亚基在与 A3 亚基一起表达时会增加 (Psp) (Gerstner 等，2000；Meighan 等，2015)。然而，MWC 类模型在描述 CNG 通道激活所必需的所有特性方面可能不尽如人意，特别是因为不同的亚基类型产生不对称的亚基贡献，这是异源通道门控的基本特征。还提出了涉及两到四个配体结合步骤，然后进行变构开放构象变化的顺序模型来描述 CNG 通道的激活 (Karpen 等，1988；Gordon 和 Zagotta，1995)。探测配体结合和 CNG 通道门控的重要工具包括 (a) 光解诱导的“笼中” cGMP 或 cAMP 跳跃 (Karpen 等，1988；Nache 等，2005)；(b) 光亲和配体共价锁定不同配体结合状态的通道 (Ruiz 和 Karpen，1997)；(c) 串联亚基构建体控制亚基组成 (Varnum 和 Zagotta，1996)；(d) 亚基标记或限制，例如在选定亚基中使用 CNBD 消融突变 (Liu 等，1998；Waldeck 等，2009；Nache 等，2012)；以及 (e) 使用荧光 cGMP 类似物的膜片钳荧光测定技术同时监测配体结合和通道活化 (Biskup 等，2007)。总的来说，这些研究揭示了几种 CNG 通道门控复杂性。
首先，CNG 通道激活具有高度协作性。其次，部分取决于通道亚基组成，不需要所有四个 CNBD 都被 cGMP 占据才能产生几乎完全的通道激活。第三，亚基可以专门用于 cAMP 与 cGMP 的结合和通道激活，例如，A4 亚基用于 cAMP，A2 和 A3 亚基用于 cGMP。第四，各个亚基对激活的贡献并不均匀；CNGA 亚基似乎比 CNGB 亚基对配体依赖的开放状态稳定化贡献更大。这一方面与结构信息相一致，表明配体结合后 A1/B1 通道发生不对称构象变化 (Xue 等，2022)。即使在同源 CNG 通道的情况下，也可能出现不对称结合和门控构象变化 (Liu 等，1998；Nache 等，2013)。
11.5 CNG 通道的孔隙特性
CNG 通道是非选择性阳离子通道，传导单价 K+、Na+、Li+、Rb+和 Cs+，并且对 Ca2+ 具有高度渗透性，但细胞内和细胞外的 Ca2+都可以进行部分的阻断。与 K+ 通道类似，CNG 通道的选择性过滤器由每个亚基的 S5 和 S6 之间的可折返“P 环”和支撑孔螺旋形成。CNGA 亚基选择性过滤器内谷氨酸的存在（图 11.4）对于 Ca2+ 离子的协调以实现 Ca2+ 通透性和阻断至关重要；A1 通道中 E 到 Q 的突变会破坏两个可能的钙结合位点之一并产生电压依赖性门控（Xue 等人，2021 年）。同源 CNGA 通道和含有 CNGB 亚基的异源通道的离子选择性和 Ca2+ 携带的电流分数不同（Frings 等人，1995 年；Dzeja 等人，1999 年），其中 B1 和 B3 亚基在选择性过滤器内的相应位置具有甘氨酸。 CNGB 亚基中的 G 与 E 差异改变了选择性过滤器的结构 (Xue 等，2022)，导致 (1) Ca2+ 亲和力降低，从而减少 Ca2+ 的停留时间；(2) 缓解 Ca2+ 对单价阳离子渗透孔的阻碍，从而增强 Na+ 和 K+ 离子的渗透；以及 (3) 闪烁的单通道动力学行为。对于天然视锥细胞 CNG 通道，发现随着通道开放概率的增加，Ca2+ 相对于 Na+ 的选择性增加 (Hackos 和 Korenbrot，1999)。
11.6 CNG 通道的药理学
最广为人知的 CNG 通道阻断剂是 L-顺式地尔硫卓 (LCD)，它能阻断来自光感受器和嗅觉神经元的天然通道和含有 B1 或 B3 亚基的重组异源通道，而对同源 CNG 通道影响甚微 。最近，确定了异源 A1/B1 通道 LCD 阻断的结构基础，表明 LCD 被困在门上方疏水中心腔区深处，基本上在孔不对称、部分开放构象内的亚基之间进行协调 (Xue 等人，2022 年)。一般而言，在解释其他通道类型或酶的几种阻断剂或抑制剂的作用时应谨慎，因为有些也被证明可以阻断或抑制 CNG 通道。这些包括 Na+ 和 Ca2+ 通道阻滞剂，如匹莫齐特、D-600 和尼非地平，以及钌红、新霉素和 W7（Brown 等人，2006 年）。局部麻醉药丁卡因以状态依赖性方式阻断 CNG 通道（Fodor 等人，1997 年）；
丁卡因阻滞的这种深刻状态依赖性使其成为封闭通道和开放通道之间平衡的有用报告物。地喹铵是一种 SK
通道的细胞外阻滞剂，可抑制细胞内的 CNG 通道活性（Rosenbaum 等人，2003 年）。
最后，从蛇毒中分离出的肽毒素伪蛇毒素以电压依赖性方式抑制同源 CNG 通道，塔区内的亚基特异性差异影响阻断剂亲和力 (Brown 等人，2003)。
11.7 CNG 通道的调节
CNG 通道活性可以通过第二信使系统和其他调节途径进行调节，而不是通过直接的环核苷酸依赖性作用来调节通道 (图 11.2)。CNG 通道的调节对于光感受器和嗅觉受体的适应以及光感受器内的自分泌/旁分泌和昼夜节律控制非常重要。 CNG 通道对钙离子具有高度渗透性，并受钙反馈调节表观配体亲和力，最显著的是通过与通道亚基相互作用的钙传感器蛋白，例如钙调蛋白 (CaM) 和 CNG-modulin (Hsu 和 Molday，1993 年；Kurahashi 和 Menini，1997 年；Hackos 和 Korenbrot，1997 年；Chen 等人，2010 年；Rebrik 等人，2012 年)。钙反馈机制有助于 (a) 在持续刺激条件下调节感觉神经元适应过程中的配体敏感性，从而成功报告感觉输入的变化；以及 (b) 快速终止感觉神经元反应 (Song 等人，2008 年)。赋予钙反馈调节的主要亚基是 B1、B3、A2 和/或 A4 亚基，尽管每个亚基的具体作用可能取决于环境和域间/亚基间相互作用 (Varnum 和 Zagotta，1997 年；Zheng 等人，2003 年；Trudeau 和 Zagotta，2002b 年；Bradley 等人，2004 年；Peng 等人，2003 年)。
CNG 通道调节的另一个关键方面是对膜磷酸肌醇（如 PIP2 和 PIP3，普遍存在的离子通道调节剂）的敏感性 (Hilgemann 等人，2018 年)。 CNG 通道似乎主要受 PIP2/PIP3 水平升高的抑制
（Womack 等人，2000 年；Spehr 等人，2002 年；Dai 等人，2013 年）。对于锥体 CNG 通道，对磷酸肌醇调节的敏感性取决于细胞质 N 端和 C 端区域内的特定特征，以及可以掩盖或解锁调节的亚基间和域间相互作用（Dai 等人，2013 年；Dai 和 Varnum，2013 年）。磷酸肌醇调节可以与其他调节特征（如 Ca2+/CaM）发生串扰（Brady 等人，2006 年）。一些调节特征可以通过前 mRNA 的替代剪接（例如，CNGA3）来控制，从而产生对调节具有增强敏感性的变体（Dai 等人，2014 年）。
CNG 通道配体亲和力和总体活性可由其他多种机制控制。这些机制包括基质金属蛋白酶的细胞外蛋白水解 (Meighan 等人，2012) 和促进二硫键形成或半胱氨酸修饰的细胞内氧化条件 (Rosenbaum 和 Gordon，2002)。其他研究为 PLC 激活下游的 CNG 通道调节 (Gordon 等人，1995)、S/T 和 Y 磷酸化途径 (Müller 等人，2001；Molokanova 等人，2003) 以及通过各种蛋白质-蛋白质相互作用提供了证据。值得注意的是，B1、A1 或 B3 亚基的 CNBD 内 Y 残基的去磷酸化可产生对光受体通道的明显 cGMP 亲和力增加 (Molokanova 等人，2003 年；Bright 等人，2007 年)。 CNG 通道调节事件的生理相关性尚未完全确定，但可能与旁分泌信号、光输入和/或昼夜节律控制后通道活性的调整有关 (Ko 等人，2003 年、2004 年；Chen 等人，2007 年；Chae 等人，2007 年；Gupta 等人，2010 年)；或与发育和组织重塑线索有关。
11.8 CNG 通道细胞生物学
与 CNG 通道的生物物理和结构特征相比之前已描述过，但对其功能的细胞生物学方面了解甚少，包括通道生物发生和降解机制。在生物发生过程中，CNGA（但不是 CNGB）亚基在细胞外转塔处通过 N-糖基化进行修饰（图 11.2）。N-糖基化的确切位置可能有所不同，存在同源物和物种特异性差异。缺乏聚糖添加可能报告通道折叠或成熟缺陷（Liu 和 Varnum，2005；Duricka 等人，2012），但对通道功能而言并非必不可少。此外，转塔内的亚基糖基化可以保护通道免受基质金属蛋白酶 (MMP) 依赖性修饰的影响（Meighan 等人，2013）。此外，一些 CNGA 亚基的 N 端区域在光感受器中经历蛋白水解加工（Bönigk 等人，1993）。关于通道降解，CNG 通道似乎通过泛素-蛋白酶体系统进行周转，特别是在质量控制监测方面（Michalakis 等人，2006 年；Becirovic 等人，2010 年）。泛素系统也可能在介导 CNG 通道正常周转中发挥作用。视锥细胞感光细胞 CNG 通道的半衰期似乎小于 12 小时（Ko 等人，2001 年），比视网膜色素上皮介导的吞噬作用的预期周转率短得多，据认为，吞噬量约为 7%-10% 的 OS 大分子/天（Kevany 和 Palczewski，2010 年；Imanishi，2019 年）。这些矛盾表明，需要有关感光细胞通道周转机制的新信息。 CNG 通道功能的另一个重要方面是亚基特异性运输特征的证据。重组 CNGA1-3 通道在没有 B1 或 B3 亚基的情况下表现出有效的质膜定位，但 CNGB 和 A4 亚基在没有 CNGA 亚基的情况下保留在细胞内区室中（Trudeau 和 Zagotta，2002a；Zheng 和 Zagotta，2004；Nache 等人，2012；Peng 等人，2003b）。对于天然锥体 CNG 通道，小鼠中 B3 敲除会减少但不会消除 A3 外节定位（Ding 等人，2009）。相反，CNGB1 已被证明对 CNG 通道的纤毛运输至关重要（Hüttl 等人，2005；Michalakis 等人，2006）。其他几种蛋白质-蛋白质相互作用调节纤毛内的 CNG 通道运输和定位。这些包括嗅觉神经元和视锥光感受器中的运动蛋白（Jenkins 等人，2006；Avasthi 等人，2009）；细胞骨架和衔接蛋白（Kizhatil 等人，2009；Nemet 等人，2014；Ramamurthy 等人，2014）；以及与外节盘膜的蛋白质成分（包括周围蛋白-2）的接触（Pearring 等人，2021；Poetsch 等人，2001）用于杆状光感受器中的 B1a。
11.9 CNG 通道疾病机制
最常见的 CNG 通道病形式涉及视网膜中 CNG 通道功能的紊乱（Biel 和 Michalakis，2007）。编码杆状 CNG 通道亚基（CNGA1 和 CNGB1）的基因突变与常染色体隐性视网膜色素变性 (arRP) 有关，其特征是杆状光感受器逐渐退化，随后锥体丢失（Dryja 等人，1995；Paquet-Durand 等人，2011）。 CNGA3 和
CNGB3 突变与全色盲、视锥细胞营养不良、少视锥细胞三色性
和遗传性黄斑变性有关（Sundin 等人，2000 年；Kohl 等人，1998 年、2000 年；Michaelides
等人，2004 年；Khan 等人，2007 年；Vincent 等人，2011 年）。这些疾病通常以常染色体隐性方式遗传，并表现出视锥细胞功能缺失或受限、视力受损
，在许多情况下还会出现进行性视锥细胞变性。
大量研究集中于确定由 CNG 通道中与疾病相关的突变引起的分子/细胞机制。主要特征包括分子水平的功能丧失——配体敏感性降低或功能性亚基缺失、折叠/组装/定位受损和/或锥体（Tränkner 等人，2004 年；Duricka 等人，2012 年；Patel 等人，2005 年；Liu 和 Varnum，2005 年；Reuter 等人，2008 年）和杆体（Dryja 等人，1995 年；Trudeau 和 Zagotta，2002a 年）通道类型的亚基周转增加。内质网应激与疾病进展有关，因为通道折叠/组装/定位缺陷导致内质网积累并诱导未折叠蛋白反应（Duricka 等人，2012 年；Thapa 等人，2012 年）。 CNG 通道病也与 CNG 通道活性的功能获得性变化有关 (Peng 等人，2003b；Bright 等人，2005；Meighan 等人，2015；Zheng 等人，2022)（图 11.5）。过度活跃的 CNG 通道
预计会扰乱钙稳态并导致光感受器功能障碍和
死亡 (Liu 等人，2013；Das 等人，2021)。由于其他关键光传导蛋白（如 PDE）的致病突变会导致 cGMP 水平升高，因此 CNG 通道
敲除或敲低具有挽救作用，可减缓 p小鼠视网膜变性的进展（Paquet-Durand 等人，2011；Tosi 等人，2011）。然而，在其他情况下，诱导修复内源性 B1 表达可挽救视觉功能和杆状光感受器，证明视网膜可塑性与通道恢复（Wang 等人，2019）。其他功能缺陷包括改变的孔特性，例如选择性和/或单通道电导（Dryja 等人，1995；Peng 等人，2003b；Tränkner 等人，2004）。最后，CNG 通道中的疾病相关突变可以干扰亚基间相互作用，这是至关重要的
图 11.5
CNG 通道中的疾病相关突变可产生通道门控的功能获得性变化。
CNGB3 亚基突变图解（顶部），其中圆圈表示错义突变；三角形表示由移码、缺陷剪接位点和/或过早终止密码子产生的截断。与 WT 通道相比，CNGB3 中与全色盲相关的 F525N 突变增强了明显的 cGMP 亲和力（底部）。
代表性 cGMP 剂量-反应关系，连续曲线表示使用 Hill 方程拟合：对于 WT 通道，K1/2 = 17.6 µM，h = 1.8；对于 A3+B3–F525N，K1/2 = 5.9 µM，h = 1.6。
用于通道组装、门控和/或调节（Trudeau 和 Zagotta，2002a；Michalakis 等，2011b；Dai 和 Varnum，2013b）。例如，CNGA3 突变被证明可通过改变亚基间偶联来增强通道对磷酸肌醇调节的敏感性
（Dai 和 Varnum，2013 年）。
小鼠的 CNG 通道基因敲除代表了模拟人类 CNG 通道无效突变引起的病理特征的疾病模型。Cnga3–/– 小鼠表现出视锥细胞光反应受损和进行性退化（Biel 等人，1999 年；
Michalakis 等人，2005 年，2011a 年）。Cngb1 敲除导致视杆细胞和嗅觉受体神经元的功能和结构缺陷（Hüttl 等人，2005 年；Michalakis 等人，2006 年）。相比之下，Cngb3–/– 的影响似乎不那么严重，早期变化微妙，
有残留锥体功能的证据，总体进展较慢 (Ding et al., 2009)。
其他物种中新的 CNG 通道病模型的出现，包括富含锥体的昼行性生物，如斑马鱼，有望为病理生理机制和救援策略提供新的见解。
11.10 结论
自 35 多年前发现 CNG 通道以来，详细的生理和生物物理研究为基本通道机制提供了许多见解。
最近的结构研究扩大并丰富了我们对 CNG 通道结构和功能的理解，包括孔动力学和阻塞的详细“设想和修订”、门控构象变化的结构复杂性以及 CNGB1 和 CNGB3 亚基对门控和孔特性的不对称贡献机制。需要进一步研究的问题包括 CNG 通道功能的几个细胞生物学方面，包括蛋白质-蛋白质相互作用、调节途径和天然细胞中的生物发生/周转，以及这些特征与正常生理和病理生理的交集。还需要扩展与最近的低温电子显微镜结构中缺失的较不有序区域或域相关的结构信息；这些信息可能有助于解释涉及被认为是通道调节事件基础的柔性 N 端和 C 端细胞质区域的亚基相互作用，以及调节这些事件的可变剪接特征和结果的进化保守性。最后，CNG 通道在非感觉神经元、神经胶质细胞或其他不同细胞类型和环境中的机制和作用仍未得到充分重视，值得更深入的研究。