钾离子信道蛋白立体结构的新发现
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2003年6月21日
美国洛克斐勒大学(Rockefeller University) Howard Hughes医学中心以Roderick MacKinnon为首的研究小组首度发现电位调控型钾离子信道(voltage-dependent Potassium channel，简称Kv channel)的蛋白质立体结构，并据此提出钾离子信道感应细胞膜电位变化而快速开关的新机制。
离子信道(ion channel)广泛存在于各种细胞膜上，是离子进出细胞的通路。其中电位调控型离子信道(voltage-dependent ion channel)能够感应细胞膜电位变化而快速精准地开启或关闭，在肌肉及神经动作电位传递上至为重要。近年来利用patch clamp等电生理实验技术，科学家们对于其功能与作用已有相当深入的了解。但是过去由于缺乏来自结构生物学的直接证据，研究人员仍未能确认离子信道如何感应膜电位变化而快速开关的机制。以钾离子信道为例，已知它是由四个次单元(subunit)所组成的蛋白质，每个次单元由六个疏水性区段(hydrophobic segments)S1-S6构成，各次单元的S5-S6区段共同围绕出供离子通过的信道壁。以往的模型认为，包埋在蛋白质次单元核心部位的S4区段具有带正电荷的arginine胺基酸，能够感测膜电位变化而在蛋白质内部小幅移动(translation)或转动(rotation)，进一步带动离子信道底部的闸门控制机构产生形变，控制信道的开启或关闭。然而MacKinnon研究小组发表于5月1日「自然」杂志的钾离子信道蛋白质立体结构却推翻了这种推测。
, 百拇医药
研究小组设法让钾离子信道蛋白结晶，并由该结晶的X光绕射结果首度获得其立体结构图像。该立体结构显示，各蛋白质次单元中，由S3(b)与带有四个正电荷的S4区段共同组成的电位感应机构 (研究小组称之"voltage-sensing paddle") 并非包埋其核心内，而是位于外围位置并暴露于细胞膜脂质中，能够感应膜电位变化在细胞膜两个面之间大幅跳跃(flip)。当膜电位为负时，离子信道处于关闭状态，voltage-sensing paddle位于细胞膜的内侧面(intracellular surface)。当细胞膜发生去极化(depolarize)时，细胞膜两边的电场梯度使带正电荷的voltage-sensing paddle受力而横越细胞膜移位至外侧面 (extracellular surface)位置，并使信道蛋白产生形变让离子信道打开。研究小组并且利用抗体结合到电位感测机构以及avidin-biotin molecular rule实验技术为新模型提出左证。
蛋白质结构是了解蛋白质功能的重要媒介；结构的获得主要是透过蛋白质结晶的X光绕射实验。然而膜蛋白却是出了名的难结晶，为了克服结晶的问题，研究小组利用由一种名为Aeropyrum pernix的嗜热性古细菌(thermophilic archaebacterium)分离出来的钾离子信道蛋白(KvAP)作为实验对象。KvAP的结构较为安定坚固，且其胺基酸序列与真核细胞的Kv信道蛋白高度相关，两者也具有相同的电生理特性。研究小组并尝试将单株抗体结合到KvAP信道的电位感测机构上，使其固定并建立结晶的附着点。经过五年的努力终于成功获得钾离子信道蛋白的结晶，并利用X光绕射方法定出其结构。
在定出KvAP信道的结构之后，基因序列的左证使科学家们相信膜电位调控型钠离子与钙离子信道也有类似的电位调控机制。未来将可针对离子信道的电位感测机构设计新的药物，为治疗离子信道疾病(channelopathy)开启新的方向。, 百拇医药
离子信道(ion channel)广泛存在于各种细胞膜上，是离子进出细胞的通路。其中电位调控型离子信道(voltage-dependent ion channel)能够感应细胞膜电位变化而快速精准地开启或关闭，在肌肉及神经动作电位传递上至为重要。近年来利用patch clamp等电生理实验技术，科学家们对于其功能与作用已有相当深入的了解。但是过去由于缺乏来自结构生物学的直接证据，研究人员仍未能确认离子信道如何感应膜电位变化而快速开关的机制。以钾离子信道为例，已知它是由四个次单元(subunit)所组成的蛋白质，每个次单元由六个疏水性区段(hydrophobic segments)S1-S6构成，各次单元的S5-S6区段共同围绕出供离子通过的信道壁。以往的模型认为，包埋在蛋白质次单元核心部位的S4区段具有带正电荷的arginine胺基酸，能够感测膜电位变化而在蛋白质内部小幅移动(translation)或转动(rotation)，进一步带动离子信道底部的闸门控制机构产生形变，控制信道的开启或关闭。然而MacKinnon研究小组发表于5月1日「自然」杂志的钾离子信道蛋白质立体结构却推翻了这种推测。
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研究小组设法让钾离子信道蛋白结晶，并由该结晶的X光绕射结果首度获得其立体结构图像。该立体结构显示，各蛋白质次单元中，由S3(b)与带有四个正电荷的S4区段共同组成的电位感应机构 (研究小组称之"voltage-sensing paddle") 并非包埋其核心内，而是位于外围位置并暴露于细胞膜脂质中，能够感应膜电位变化在细胞膜两个面之间大幅跳跃(flip)。当膜电位为负时，离子信道处于关闭状态，voltage-sensing paddle位于细胞膜的内侧面(intracellular surface)。当细胞膜发生去极化(depolarize)时，细胞膜两边的电场梯度使带正电荷的voltage-sensing paddle受力而横越细胞膜移位至外侧面 (extracellular surface)位置，并使信道蛋白产生形变让离子信道打开。研究小组并且利用抗体结合到电位感测机构以及avidin-biotin molecular rule实验技术为新模型提出左证。
蛋白质结构是了解蛋白质功能的重要媒介；结构的获得主要是透过蛋白质结晶的X光绕射实验。然而膜蛋白却是出了名的难结晶，为了克服结晶的问题，研究小组利用由一种名为Aeropyrum pernix的嗜热性古细菌(thermophilic archaebacterium)分离出来的钾离子信道蛋白(KvAP)作为实验对象。KvAP的结构较为安定坚固，且其胺基酸序列与真核细胞的Kv信道蛋白高度相关，两者也具有相同的电生理特性。研究小组并尝试将单株抗体结合到KvAP信道的电位感测机构上，使其固定并建立结晶的附着点。经过五年的努力终于成功获得钾离子信道蛋白的结晶，并利用X光绕射方法定出其结构。
在定出KvAP信道的结构之后，基因序列的左证使科学家们相信膜电位调控型钠离子与钙离子信道也有类似的电位调控机制。未来将可针对离子信道的电位感测机构设计新的药物，为治疗离子信道疾病(channelopathy)开启新的方向。, 百拇医药