离子通道种类繁多，并根据位置和功能的不同分为不同亚型。电压门控离子通道是一类重要的药物靶点，通常形成大分子复合物，随着冷冻电镜技术在离子通道领域的充分应用，更直接清晰展示了电压门控离子通道各亚基，各个氨基酸如何相互协调、精准合作实现神经元和肌肉细胞通道的生理功能。Kv4家族属于A 型电压门控钾通道，由成孔亚基和辅助亚基组成。近期，围绕Kv4家族的多个重磅结构研究工作均利用冷冻电镜对Kv4的工作机理展开了探索，覆盖了完整复合物的构象揭示、辅助亚基如何精确实现复合物调控、以及Kv4家族如何快速激活、快速失活和从失活状态中快速恢复的机制阐述，对围绕Kv4进行药物开发提供了一定线索。

圣裘德儿童研究医院的科学家们正在研究电压门控离子通道（VGIC, voltage-gated ion channel），该电压门控离子通道在神经元和肌肉如何对神经系统发送的电信号做出反应方面发挥着重要作用，他们的研究揭示了一种全新的通道的失活机制，相关工作发表于《分子细胞》上。

VGICs是一类形成孔洞的跨膜蛋白复合物，通过通道的打开或关闭，介导离子进入或离开细胞。神经元和肌肉细胞等细胞通过打开（激活）和关闭其VGICs对电信号做出反应。VGICs的适当激活和关闭使这些细胞能够正确协调它们的功能。

研究人员使用冷冻电镜（cryo-EM）、生物化学和电生理学方法来研究一种名为Kv4的电压门控钾离子通道。Kv4的突变与神经系统和心脏疾病有关。了解Kv4的作用机制有助于研究人员确定治疗此类疾病的策略。

通讯作者、圣犹大结构生物学系的Chia-Hsueh Lee博士说："神经元进行信号传导是基于电信号传递的传输方式，电信号的传递由神经元细胞膜上的蛋白质的介导。许多研究人员对研究这一过程感兴趣，但一直难有成效。我们能够捕捉到这种特定离子通道的多种状态，以更好地在分子水平上了解这种蛋白质如何工作。我们新奇地发现，Kv4以与其他类型的VGICs不同的工作机制来发挥功能"。

基于和加州大学旧金山分校的电生理学实验合作，研究人员补充并进一步验证了结构研究的结果。

VGICs有多种状态，并通过不同状态发挥相应的作用。这些通道可以从休眠/关闭状态转变到激活/打开状态。为了更好理解通道的不同状态，可以将汽车熄火发动等状态作为类比：当汽车熄火时，就像处于休眠/关闭状态的VGIC。当把汽车发动并驾驶时，就像VGIC处于激活/开放状态。然而，Kv4也可以进入失活状态，即通道关闭，没有反应：就如同一辆发动的汽车上，踩下油门，却发现手刹被拉上了，汽车在这时并不会移动。

研究人员希望了解Kv4是如何在这些不同的状态之间转换的。利用冷冻电镜，他们捕获了三种不同构象的通道，分别对应激活态、失活态和中间状态。这些结构综合揭示了Kv4失活背后的机制， Kv4并不形成人们通常认为的四重对称的结构，而是形成二重对称的结构。

与其他VGICs一样，Kv4由四个相同的亚基组成，在激活/和中间状态下，四个亚基都采用相同的构象。相反，在失活状态下，空间上对立相望的的两个副本具有不同的构象。为了捕捉处于静息/关闭状态的Kv4构象，研究人员通过蛋白改造和优化蛋白纯化步骤的方式，将该通道 "锁定 "到静息状态。

这是研究人员首次确定闭合状态的失活机制，采用的研究方法可以同样可以适用于其他离子通道的研究。

第一作者、圣裘德结构生物学博士Hongtu Zhao说："我认为我们的研究对该领域来说是相当令人兴奋的，我们获得了某一离子通道的功能状态有关的多个结构，能够在一项研究中确定同一蛋白质的多个结构，并且使我们能够从结构比较中获得大量的信息。这确实反映了冷冻电镜的强大能力"。

相关文献摘要

电压门离子通道的活性取决于激活（完成从静息状态向开放状态转变）和失活的不同状态。失活是一种限制离子传导的自我约束机制，与激活关联的细胞膜兴奋一样至关重要。通道在开放或关闭状态时，失活都有可能发生。尽管对开放状态的失活有很好的了解，但封闭状态下失活的分子基础却一直没有得到阐述。我们报导了人类KV4.2通道复合物在失活、开放和关闭状态下的冷冻电镜结构。KV4的闭合状态失活涉及到四个S4-S5连接体中只有两个的对称性破坏，与已知的开放状态失活机制不同。我们还进一步捕捉到KV4处于一种可能的假定的静息状态，揭示了电压传感器的运动如何调控通道。此外，我们的结构提供了关于KChIP2和DPP6辅助亚基的通道调节的见解。我们的发现阐明了KV4通道的闭合状态失活和电压依赖性激活的机制。

百度浏览   来源 : 水木未来   

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