钾离子通道是广泛存在于各类生物中的一类重要膜蛋白，在膜电位发生、神经兴奋与传导、心脏搏动、骨骼肌收缩等生理过程中发挥重要作用。钾离子通道的开放和关闭状态是受严格调控的，其中配体门控的钾离子通道通过配体结合产生的别构效应来调节通道的开闭状态。同时，作为多聚体蛋白，钾离子通道的门控存在协同效应，使其能够灵敏地感受配体浓度的细微变化。离子通道的协同性门控现象已经被发现和研究了多年，但其背后的分子机制一直没有得到清楚的解释。

近日，天津大学生命科学学院叶升课题组在钙离子门控钾离子通道的协同门控机制的研究中取得了突破，在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）期刊发表题为“Novel insights into the allosteric gating mechanism of MthK channel”的研究论文。

本文要点：

1. MthK是一种来源古菌的钙离子门控钾离子通道，通道的开放由胞内可结合钙离子的门控环结构控制。该研究利用一种基于奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）的数值计算分析方法，对所有MthK通道的门控环三维结构数据进行了统计分析。研究发现门控环结构的基本单位RCK二聚体，可以形成独特的“双合页”结构。该结构由二个亚基的N端结构域和一段α螺旋组成，包含两个钙离子结合位点。当其中一个位点结合钙离子之后，这一特殊的结构会将钙离子结合所导致的附近氨基酸残基侧链的摆动放大为整体结构的转动。同时，这一整体性的转动会大大增加另一个钙离子结合位点对钙离子的亲和性。

2. RCK二聚体的中间区域存在可以将RCK二聚体“锁”在关闭构象的“离子锁”。在N端结构域发生构象变化时，这一“离子锁”会被打开，并将构象变化传递到C端结构域，使C端结构域的钙离子结合位点也暴露出来。

3.四个RCK二聚体可组装成一个完整的门控环，在RCK二聚体相互作用界面上也存在相应的“离子锁”。当一个RCK二聚体发生构象变化时，“锁”被打开并导致相邻二聚体发生类似的构象变化，这一构象变化同样有利于钙离子的结合。

4.该研究利用位点突变、电生理、ITC等实验验证了分析结果，提出了一个新颖的分子机制模型，可以较为完整地解释ΜthK钙离子协同门控的现象。鉴于RCK结构域和类似的“双合页”结构在真核生物的配体门控钾离子通道中普遍存在，该研究的模型对于理解真核生物的钾离子协同性门控机制也有帮助。

这项工作通过对大量蛋白质结构数据进行统计分析，剔除了噪音，得到了与蛋白功能相关的关键结构变化信息。展示出了后结构生物学时代，更全面深入地把握蛋白质结构与功能关系的光明前景。该论文的第一作者是天津大学生命科学学院关凤慧博士（现为中国科学院基础医学与肿瘤研究所副研究员），通讯作者为天津大学生命科学学院叶升教授，参与单位有中国科学院上海药物研究所，浙江大学及美国伊利诺伊大学芝加哥分校。该研究工作获得国家重点研发计划“合成生物学”专项，国家自然科学基金面上项目、青年项目等经费资助。

参考文献：

Guan F, Li T, Dong W, Guo R, Chai H, Chen Z, Ren Z, Li Y,Ye S (2022)Novel insights into the allosteric gating mechanism of MthK channel.Natl Sci Rev, April 13, 2022, Epub aheadof print, doi:10.1093/nsr/nwac072

（编辑 焦德芳 陈可）