離子通道種類繁多，并根據(jù)位置和功能的不同分為不同亞型。電壓門控離子通道是一類重要的藥物靶點(diǎn)，通常形成大分子復(fù)合物，隨著冷凍電鏡技術(shù)在離子通道領(lǐng)域的充分應(yīng)用，更直接清晰展示了電壓門控離子通道各亞基，各個(gè)氨基酸如何相互協(xié)調(diào)、精準(zhǔn)合作實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞通道的生理功能。Kv4家族屬于A 型電壓門控鉀通道，由成孔亞基和輔助亞基組成。近期，圍繞Kv4家族的多個(gè)重磅結(jié)構(gòu)研究工作均利用冷凍電鏡對(duì)Kv4的工作機(jī)理展開了探索，覆蓋了完整復(fù)合物的構(gòu)象揭示、輔助亞基如何精確實(shí)現(xiàn)復(fù)合物調(diào)控、以及Kv4家族如何快速激活、快速失活和從失活狀態(tài)中快速恢復(fù)的機(jī)制闡述，對(duì)圍繞Kv4進(jìn)行藥物開發(fā)提供了一定線索。

圣裘德兒童研究醫(yī)院的科學(xué)家們正在研究電壓門控離子通道（VGIC, voltage-gated ion channel），該電壓門控離子通道在神經(jīng)元和肌肉如何對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送的電信號(hào)做出反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用，他們的研究揭示了一種全新的通道的失活機(jī)制，相關(guān)工作發(fā)表于《分子細(xì)胞》上。

VGICs是一類形成孔洞的跨膜蛋白復(fù)合物，通過通道的打開或關(guān)閉，介導(dǎo)離子進(jìn)入或離開細(xì)胞。神經(jīng)元和肌肉細(xì)胞等細(xì)胞通過打開（激活）和關(guān)閉其VGICs對(duì)電信號(hào)做出反應(yīng)。VGICs的適當(dāng)激活和關(guān)閉使這些細(xì)胞能夠正確協(xié)調(diào)它們的功能。

研究人員使用冷凍電鏡（cryo-EM）、生物化學(xué)和電生理學(xué)方法來研究一種名為Kv4的電壓門控鉀離子通道。Kv4的突變與神經(jīng)系統(tǒng)和心臟疾病有關(guān)。了解Kv4的作用機(jī)制有助于研究人員確定治療此類疾病的策略。

通訊作者、圣猶大結(jié)構(gòu)生物學(xué)系的Chia-Hsueh Lee博士說："神經(jīng)元進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)是基于電信號(hào)傳遞的傳輸方式，電信號(hào)的傳遞由神經(jīng)元細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)的介導(dǎo)。許多研究人員對(duì)研究這一過程感興趣，但一直難有成效。我們能夠捕捉到這種特定離子通道的多種狀態(tài)，以更好地在分子水平上了解這種蛋白質(zhì)如何工作。我們新奇地發(fā)現(xiàn)，Kv4以與其他類型的VGICs不同的工作機(jī)制來發(fā)揮功能"。

基于和加州大學(xué)舊金山分校的電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)合作，研究人員補(bǔ)充并進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果。

VGICs有多種狀態(tài)，并通過不同狀態(tài)發(fā)揮相應(yīng)的作用。這些通道可以從休眠/關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變到激活/打開狀態(tài)。為了更好理解通道的不同狀態(tài)，可以將汽車熄火發(fā)動(dòng)等狀態(tài)作為類比：當(dāng)汽車熄火時(shí)，就像處于休眠/關(guān)閉狀態(tài)的VGIC。當(dāng)把汽車發(fā)動(dòng)并駕駛時(shí)，就像VGIC處于激活/開放狀態(tài)。然而，Kv4也可以進(jìn)入失活狀態(tài)，即通道關(guān)閉，沒有反應(yīng)：就如同一輛發(fā)動(dòng)的汽車上，踩下油門，卻發(fā)現(xiàn)手剎被拉上了，汽車在這時(shí)并不會(huì)移動(dòng)。

研究人員希望了解Kv4是如何在這些不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的。利用冷凍電鏡，他們捕獲了三種不同構(gòu)象的通道，分別對(duì)應(yīng)激活態(tài)、失活態(tài)和中間狀態(tài)。這些結(jié)構(gòu)綜合揭示了Kv4失活背后的機(jī)制， Kv4并不形成人們通常認(rèn)為的四重對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，而是形成二重對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

與其他VGICs一樣，Kv4由四個(gè)相同的亞基組成，在激活/和中間狀態(tài)下，四個(gè)亞基都采用相同的構(gòu)象。相反，在失活狀態(tài)下，空間上對(duì)立相望的的兩個(gè)副本具有不同的構(gòu)象。為了捕捉處于靜息/關(guān)閉狀態(tài)的Kv4構(gòu)象，研究人員通過蛋白改造和優(yōu)化蛋白純化步驟的方式，將該通道 "鎖定 "到靜息狀態(tài)。

這是研究人員首次確定閉合狀態(tài)的失活機(jī)制，采用的研究方法可以同樣可以適用于其他離子通道的研究。

第一作者、圣裘德結(jié)構(gòu)生物學(xué)博士Hongtu Zhao說："我認(rèn)為我們的研究對(duì)該領(lǐng)域來說是相當(dāng)令人興奮的，我們獲得了某一離子通道的功能狀態(tài)有關(guān)的多個(gè)結(jié)構(gòu)，能夠在一項(xiàng)研究中確定同一蛋白質(zhì)的多個(gè)結(jié)構(gòu)，并且使我們能夠從結(jié)構(gòu)比較中獲得大量的信息。這確實(shí)反映了冷凍電鏡的強(qiáng)大能力"。

相關(guān)文獻(xiàn)摘要

電壓門離子通道的活性取決于激活（完成從靜息狀態(tài)向開放狀態(tài)轉(zhuǎn)變）和失活的不同狀態(tài)。失活是一種限制離子傳導(dǎo)的自我約束機(jī)制，與激活關(guān)聯(lián)的細(xì)胞膜興奮一樣至關(guān)重要。通道在開放或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，失活都有可能發(fā)生。盡管對(duì)開放狀態(tài)的失活有很好的了解，但封閉狀態(tài)下失活的分子基礎(chǔ)卻一直沒有得到闡述。我們報(bào)導(dǎo)了人類KV4.2通道復(fù)合物在失活、開放和關(guān)閉狀態(tài)下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。KV4的閉合狀態(tài)失活涉及到四個(gè)S4-S5連接體中只有兩個(gè)的對(duì)稱性破壞，與已知的開放狀態(tài)失活機(jī)制不同。我們還進(jìn)一步捕捉到KV4處于一種可能的假定的靜息狀態(tài)，揭示了電壓傳感器的運(yùn)動(dòng)如何調(diào)控通道。此外，我們的結(jié)構(gòu)提供了關(guān)于KChIP2和DPP6輔助亞基的通道調(diào)節(jié)的見解。我們的發(fā)現(xiàn)闡明了KV4通道的閉合狀態(tài)失活和電壓依賴性激活的機(jī)制。

評(píng)論來源：

St.Jude Children's?Research Hospital

https://www.stjude.org/media-resources/news-releases/2022-medicine-science-news/a-surprising-inactivation-mechanism-for-a-voltage-gated-ion-channel.html

文獻(xiàn)來源：

Molecular Cell

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(22)00395-1

水木未來·視界丨iss. 19