作為生命的單位，細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞膜與外界進(jìn)行隔離，也通過(guò)細(xì)胞膜與外界進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和物質(zhì)能量交換。細(xì)胞膜上有多種元件感受外界的刺激，并實(shí)現(xiàn)細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，科學(xué)家也可以利用這些元件，在細(xì)胞外增加刺激，從而調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)。在神經(jīng)生物學(xué)中，膜電位就是一種重要的物理化學(xué)刺激。

3月16日，西湖大學(xué)細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室在Nature Communications雜志發(fā)表研究論文，捕捉了人源電壓門控鉀離子通道Eag2 (Ether-a-go-go 2)的6個(gè)構(gòu)象，解釋了Eag2在響應(yīng)電壓刺激時(shí)的延遲整流機(jī)制，揭開(kāi)困擾業(yè)內(nèi)多年的這類延遲響應(yīng)的電壓門控離子通道的面紗。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37204-6

論文截圖

01、Eag2的電生理特性和結(jié)構(gòu)特征

大鼠Eag2基因在NIH3T3細(xì)胞中顯示出經(jīng)典的將體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為惡性細(xì)胞的活性，隨后關(guān)于Eag1和Eag2的研究都證明了兩者能通過(guò)細(xì)胞周期、細(xì)胞體積、p38/MAPK等下游信號(hào)通路相關(guān)的多種調(diào)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)致癌性。此外，人的Eag2（hEag2）突變后還會(huì)引發(fā)癲癇和自閉癥等多種神經(jīng)相關(guān)的疾病。

hEag2作為電壓門控鉀離子通道呈現(xiàn)為四聚體形式，并具有兩個(gè)主要元件，跨膜序列S1-S4負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)導(dǎo)（Voltage sensor domain，VSD），S5-S6形成孔結(jié)構(gòu)（Pore domain），負(fù)責(zé)離子通透，S4-S5連接子實(shí)現(xiàn)兩個(gè)元件間的串聯(lián)。

電生理實(shí)驗(yàn)表明，hEag2呈現(xiàn)經(jīng)典的延遲整流現(xiàn)象（Delay rectifier）和Cole-Moore效應(yīng)，其背后機(jī)制多年來(lái)一直未被闡述清楚。

Eag2的電生理特性和結(jié)構(gòu)特征

02、Eag2的逐級(jí)開(kāi)放過(guò)程

采用冷凍電鏡技術(shù)在0mV狀態(tài)下，捕捉了hEag2從關(guān)閉到開(kāi)放過(guò)程的6個(gè)不同構(gòu)象，以接近原子分辨率的結(jié)構(gòu)信息，展現(xiàn)了孔道在受到電壓刺激時(shí)，逐級(jí)開(kāi)放和通透離子的過(guò)程，如下圖所示。在關(guān)閉狀態(tài)，Y460和F464通過(guò)鏈內(nèi)和鏈間的π-π相互作用，形成了疏水性限制位點(diǎn)，從而防止水化和脫水化的鉀離子通過(guò)。

在疏水性限制位點(diǎn)的下方，由Q472和T468通過(guò)靜電相互作用力形成的親水性限制位點(diǎn)。疏水性限制位點(diǎn)和親水性限制位點(diǎn)共同形成了長(zhǎng)長(zhǎng)的通道閥門。鉀離子在關(guān)閉和預(yù)開(kāi)放1狀態(tài)下，有6個(gè)占位，與常見(jiàn)的鉀離子通道5個(gè)離子占位相比，呈現(xiàn)出非經(jīng)典的離子通透路徑。

在預(yù)開(kāi)放狀態(tài)，F(xiàn)464從孔中央甩出，打斷了π-π相互作用，使得孔道開(kāi)到6埃。在預(yù)開(kāi)放2狀態(tài)下，Q472的密度不再穩(wěn)定，說(shuō)明最后一個(gè)限制位點(diǎn)被打開(kāi)，持續(xù)的電壓將脫水化的鉀離子推動(dòng)到S6位點(diǎn)，通道呈現(xiàn)為轉(zhuǎn)導(dǎo)狀態(tài)。在開(kāi)放狀態(tài)下，F(xiàn)464向S5旋轉(zhuǎn)，與S5上的F365形成新的π-π相互作用。同時(shí)，Q472向鄰近的S6旋轉(zhuǎn)并與其鏈上的N466形成相互作用。因此，F(xiàn)464和Q472共同扮演了門控和穩(wěn)定hEag2的角色。

hEag2孔道逐級(jí)開(kāi)放過(guò)程

hEag2在持續(xù)電壓刺激下通透離子的過(guò)程

03、hEag2延遲整流和Cole-Moore效應(yīng)的機(jī)制

離子通道C型失活和N型失活已有一些機(jī)制模型，然而延遲整流激活和Cole-Moore效應(yīng)的機(jī)制一直難以理解。通過(guò)電生理測(cè)試，發(fā)現(xiàn)T468A和Q472R兩個(gè)突變體分別影響了延遲整流激活和Cole-Moore效應(yīng)，同時(shí)對(duì)電壓敏感性沒(méi)有明顯影響。

結(jié)合上述研究結(jié)果，猜測(cè)在膜電位去極化過(guò)程中，hEag2通過(guò)打破疏水性限制為點(diǎn)F464的能量壁壘，從關(guān)閉態(tài)轉(zhuǎn)變到預(yù)開(kāi)放態(tài)，進(jìn)一步的電化學(xué)力將驅(qū)動(dòng)鉀離子從S5占位到S6占位移動(dòng)，并且胞內(nèi)離子進(jìn)入到限制性位點(diǎn)Q472，通道趨于離子流動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，去極化的電壓作用力越大，通道響應(yīng)電壓刺激的速度越快。綜上，解釋了hEag2延遲整流和Cole-Moore效應(yīng)的機(jī)制。

04、hEag2電壓感受和轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

hEag2開(kāi)放的過(guò)程伴隨了S5和S6如虹膜般的旋轉(zhuǎn)，該過(guò)程由S4-S5連接子將VSD感知的電壓信息傳遞到Pore domain，實(shí)現(xiàn)孔道的打開(kāi)。結(jié)合上述結(jié)果，總結(jié)為在膜電位靜息狀態(tài)下，hEag2處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)膜電位去極化，VSD感受電壓的作用，由S4-S5連接子帶動(dòng)S5順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（top view）并向遠(yuǎn)離孔的方向舒張，該過(guò)程帶動(dòng)孔徑變大，hEag2進(jìn)入欲打開(kāi)狀態(tài)，持續(xù)的電壓刺激使得VSD和S5進(jìn)一步變構(gòu)，此時(shí)，hEag2通道被徹底打開(kāi)。

hEag2的電壓激活機(jī)制

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講席教授裴端卿為本文的通訊作者。西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生章明鋒和單圓月為本文的共同第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、西湖教育基金會(huì)的支持，同時(shí)得到西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心的技術(shù)支持。