Nat Commun丨盖景鹏课题组与合作者揭示内向整流钾通道Kir4.1/5.1的“内环阻 ...

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6 月 6 日，上海科技大学生命科学与技术 学院盖景鹏课题组联合中国科学院上海药物研究所高召兵课题组、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心于杰课题组及 北京大学宋晨课题组 ，在 Nature Communications 在线发表题为 Cryo-EM Structures of Heteromeric Kir4.1/5.1 Channel Suggest Mechanisms of Inward Rectification and Channel Blockage  的研究论文 研究综合运用冷冻电镜、电生理学和分子动力学模拟， 首次报道 了异源内向整流钾通道 Kir4.1/5.1 在无配体及多种阻滞分子结合状态下的高分辨率结构，提出并验证了多胺和通道阻滞剂 介 导的 “ 内环阻塞（ inner-ring blockage ） ” 整流 新 机制。

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内向整流钾离子（ Kir ）通道通过调控细胞膜电位和钾离子转运，参与神经信号传导、心率、胰岛素释放、听力和肾脏功能等重要生理过程。其中， Kir4.1 （由 KCNJ10 编码）和 Kir5.1 （由 KCNJ16 编码）属于 K⁺ 转运型 Kir 通道，主要表达于脑、肾脏和内耳，可组装形成 Kir4.1/5.1 异源四聚体。与同源 Kir4.1 通道相比， Kir4.1/5.1 具有更大的单通道电导、更强的内向整流、更高的 pH 敏感性及多样的胞内调控特征。 KCNJ10 突变会导致 EAST/ SeSAME 综合征，患者可出现癫痫、共济失调、感音神经性耳聋和肾脏盐耗损等症状； Kir5.1 功能异常也 变现出 部分重叠但不同的疾病谱。 尽管长达近 80 年的研究，特别是 1949 年内向整流钾离子通道电流的鉴定以及 20 世纪 90 年代确立的以细胞内 Mg²⁺ 和多胺的电压依赖性阻塞 作为主要的内向整流机制 模型 ，多胺如何在孔道中结合并实现 阻塞仍 长期缺乏直接结构证据。
% F; ]9 A4 L- F2 R0 J9 p8 V本研究团队解析了 Kir4.1/5.1 在无配体（ apo ） ，以及多种阻滞分子结合状态改下的三维结构，包括 精胺（ spermine ）、 已报道抑制剂 VU0134992 和 本研究中新鉴定抑制剂 EHop-016 ，整体分辨率达到 3.1-3.5 Å 。结构显示， Kir4.1/5.1 由两个 Kir4.1 亚基和两个 Kir5.1 亚基以相对交替方式组装成 2:2 异源四聚 体（图1a,b）。研究进一步发现，两个精 胺分子、两个通道阻滞剂 VU0134992 分子，或一个 EHop-016 分子，均结合于跨膜区中央 腔 上部，并以平行于细胞膜的取向横向占据离子通路（图1 c-f）。 EHop-016 是研究中新鉴定出的 Kir4.1/5.1 抑制剂，为具有抗癌活性的 Rac GTPase 抑制剂；电生理结果显示，其对 Kir4.1 和 Kir4.1/5.1 的 IC 50 s 分别为 0.80 ± 0.05 μM 和 3.20 ± 0.18 μM ，阻断活性强于 VU0134992 。


图 1. Kir4.1/5.1 异源四聚 体的整体结构及精胺、 VU0134992 、 EHop-016 结合位点示意。
; }" s5 M, t9 H) L( _  x* W0 |不同于传统上认为长链多胺沿孔道轴向进入并被 “ 陷获 ” 的想象，这些结构显示阻滞分子在中央腔上部呈膜面平行取向，像一道横向 “ 内环 ” 阻断离子通路。突变、电生理和分子动力学结果进一步表明， Kir4.1 的 E158 等位于中央腔上部的关键残基参与精胺和阻滞剂结合，并影响内向整流和药物敏感性。基于结构 、分子动态模拟 和 电生理 功能分析 ，团队提出 了解释 Kir 通道内向整流机制的 “ 内环阻塞 ” 田径场 模型（图2）：两个长度约 15 Å 的精胺或 VU0134992 分子可交错占据类似 “4×100 米接力 ” 跑道中的第 2 棒 和第 4 棒 位置（图1c,d）， VU0134992 还可呈另一取向占据第 1 和第 3 位置（图1e）；而长度约 19 Å 、体积更大的 EHop-016 则以单分子形式形成 “U 形环状阻塞 ” 占据 “ 田径场 ” 内侧 ，将孔径压缩至约 0.5 Å（图1f）。
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图 2.  多胺和通道阻滞剂介导的 “ 内环阻塞（ inner-ring blockage ） ” 模型。
! g& Z5 `* }! U+ |该研究在原子层面捕获了 Kir4.1/5.1 与天然多胺及不同化学类型阻滞剂的结合方式，解释了异源 Kir4.1/5.1 较强内向整流的部分结构基础，也将经典的 “ 空腔捕获（ cavity trapping ） ” 或 “ 深部整流 ” 模型推进到更具体的多位点相互作用图景。论文同时提示， Kir4.1/5.1 的内向整流可能由多胺 /Mg²⁺ 依赖的外源性机制和 K⁺ 通量驱动的内源性机制共同贡献，其相对作用受细胞内 pH 、 PIP₂ 、多胺和 Mg²⁺ 水平等因素调节。相关发现为理解EAST/SeSAME综合征等Kir通道相关疾病机制，以及面向Kir通道上部中央腔的结构导向药物设计提供了新的框架。
上海科技大学生命科学与技术学院博士研究生宁莹洁、中国科学院上海药物研究所副研究员周晓宇、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生张一敏、北京大学博士后陈楠浩以及中国科学院上海药物研究所博士生郭倩蓓为论文共同第一作者；上海科技大学生命科学与技术学院盖景鹏教授、中国科学院上海药物研究所高召兵研究员、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心于杰研究员、北京大学 宋晨课题组 陈楠浩博士为共同通讯作者。 四川大学华西医院泌尿外科研究所 杨冬雪 研究员 为该论文提供了重要帮助。
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