細(xì)胞需要鈣離子維系正常的生命活動(dòng)而鈣失調(diào)（如鈣超載等）則會(huì)導(dǎo)致多種疾病。細(xì)胞膜上的電壓門(mén)控鈣離子（如CaV1.3）通道精確調(diào)控鈣離子內(nèi)流及其時(shí)空動(dòng)態(tài)，對(duì)于心腦等器官的生理機(jī)能至關(guān)重要，也與心律失常及帕金森癥等重大疾病密切相關(guān)。因此，抑制CaV1.3等鈣通道的機(jī)制及方法成為基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。臨床上，鈣通道抑制劑（也稱(chēng)為拮抗劑）是常用的抗心律失常藥；另外，針對(duì)阿爾茨海默癥的藥物迄今尚未攻克，而鈣通道拮抗劑是當(dāng)前研發(fā)中的重要先導(dǎo)藥物之一。CaV1.3通道開(kāi)放后能夠被流入的鈣離子以負(fù)反饋形式迅速削弱（即鈣依賴(lài)性失活），多項(xiàng)研究證實(shí)這一過(guò)程由重要鈣結(jié)合蛋白—鈣調(diào)素（calmodulin）所介導(dǎo)；同時(shí)，通道蛋白的碳末端能夠通過(guò)與鈣調(diào)素競(jìng)爭(zhēng)影響通道功能，成為另一類(lèi)重要的反饋型調(diào)控。然而，對(duì)于碳末端調(diào)控的基本效應(yīng)仍存在重大爭(zhēng)議：一方面碳末端調(diào)控能夠抑制鈣依賴(lài)失活，具有上調(diào)鈣內(nèi)流的傾向；另一方面有證據(jù)表明碳末端削弱通道的開(kāi)放能力（即電壓依賴(lài)性激活），進(jìn)而抑制鈣內(nèi)流。兩種對(duì)立效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，那么碳末端對(duì)鈣內(nèi)流的影響究竟是怎樣的？這是領(lǐng)域內(nèi)懸而未決的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

劉曉冬研究組從碳末端三個(gè)關(guān)鍵域的結(jié)構(gòu)-功能分析出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并建立了三元素協(xié)同組合法則：任何兩元素如果在空間距離上足夠“親密”，三者將*終形成復(fù)合體、將鈣調(diào)素從通道上驅(qū)除、進(jìn)而改變通道門(mén)控特性。基于此法則，利用化學(xué)小分子誘導(dǎo)多肽間聚合形成 “親密”組合，迅速抑制了鈣電流瞬態(tài)峰值，但并不影響其穩(wěn)態(tài)電流水平，二者共同表現(xiàn)為鈣依賴(lài)失活的強(qiáng)度降低。結(jié)合其它證據(jù)，揭示出鈣內(nèi)流能夠確保被削弱下調(diào)，從而澄清了前述的“矛盾效應(yīng)”，所依據(jù)的基本事實(shí)是：碳末端抑制的實(shí)質(zhì)是將鈣電流峰值向其穩(wěn)態(tài)值水平壓低，其*限抑制效力對(duì)應(yīng)于鈣依賴(lài)失活的*大強(qiáng)度。這一發(fā)現(xiàn)同時(shí)提示，碳末端抑制與鈣依賴(lài)失活同為鈣通道的負(fù)反饋調(diào)控，雖然由不同的事件引發(fā)：分別為鈣離子與鈣調(diào)素結(jié)合或者是多肽與鈣調(diào)素競(jìng)爭(zhēng)，但二者的終態(tài)共享相同的核心門(mén)控模式，即通道的“抑制態(tài)”：超低水平的激活但同時(shí)基本不再失活。以上原理及機(jī)制預(yù)期能夠推廣至“鈣依賴(lài)易化”以及“碳末端易化”等上調(diào)通道功能的“激動(dòng)劑”效應(yīng)，而碳末端調(diào)控的高精度結(jié)構(gòu)-功能分析等機(jī)制細(xì)節(jié)，以及其病生理作用，均為后續(xù)跟進(jìn)研究的重要方向。本項(xiàng)研究同時(shí)也提供了開(kāi)發(fā)鈣通道抑制劑的新范式，神經(jīng)元模型仿真計(jì)算的結(jié)果預(yù)示：碳末端抑制有望成為帕金森癥等疾病的新型干預(yù)手段。

劉曉冬實(shí)驗(yàn)室致力于“合成電生理學(xué)”研究，通過(guò)在分子和細(xì)胞水平上功能重建重要離子通道及其跨膜信號(hào)，研究與通道相關(guān)的病生理機(jī)制及干預(yù)方法。劉曉冬及其課題組在鈣離子通道領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在于將自反饋調(diào)控與干預(yù)因子密切相結(jié)合，本研究（eLife 2017）是此方向上繼前期工作（Nature 2010； Cell Reports 2015； Channels 2016）的*新進(jìn)展。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所以及生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）等方面的支持。