鉀離子通道是目前發(fā)覺分布最廣、亞型最多的一類離子通道，存在于幾乎所有真核生物中并發(fā)揮多種生物功能。鉀通道的功能異常會造成長QT綜合征、糖尿病和腎病等多種累及腎臟、胰腺、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等部位的嚴重病癥。電流門控鉀離子通道（-gated，Kv）是一類精典鉀離子通道，它的開啟和關(guān)掉由膜電位決定并與電位變化時間有關(guān)，因而在維持可激動細胞動作電位方面起著極其重要的作用。
通道失活是通道門控過程中的一個重要環(huán)節(jié),理解通道的失活機制對于明晰通道的生理和病理功能非常關(guān)鍵。一般情況下，在電流條件下鉀離子通道會打開激活門并通透離子傳導(dǎo)數(shù)百微秒，然后通道才會手動關(guān)掉，停止離子傳導(dǎo)，使通道失活。離子通道的失活的快慢是影響靶點離子通道的抗生素動力學(xué)的重要誘因，為此，離子通道的失活機制，非常是C-型失活，仍然是生理和毒理學(xué)都關(guān)注的重點，并且常年以來沒有明晰的機制解釋（圖1）。
圖1.離子通道失活是通道的重要屬性。(A)離子通道在“關(guān)閉-開放-失活”三個狀態(tài)之間進行循環(huán)；(B)在電流維持下，離子通道會自發(fā)失活。不同通道有不同的失活速度；(C)離子通道失活主要有兩種方式（N-型，C-型）。N-型失活主要有N端結(jié)構(gòu)域在胞內(nèi)封住通道孔道鈉鉀離子通道存在，C-型失活主要彰顯在孔道過濾區(qū)的設(shè)想變化；(D)有的C-型失活機制被覺得是孔道過濾區(qū)的緊縮；(E)有的C-型失活機制被覺得是孔道過濾區(qū)多肽主鏈間的互相作用
Kv1.3通道是Kv家族成員之一，最早是在人的T淋巴細胞中被發(fā)覺的，它在免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和血管平滑肌細胞中都有抒發(fā)。Kv1.3是目前發(fā)覺在T細胞中存在的主要鉀離子通道之一，它的功能作用主要彰顯在對細胞膜電位的調(diào)節(jié)上。在抗體的呈遞過程中，Kv1.3通道集聚在免疫細胞突觸上并推動Ca2+訊號傳導(dǎo)（圖2）。研究表明，Kv1.3主要參與效應(yīng)T細胞的激活過程，因而不同亞型的T細胞對Kv1.3抑制劑的敏感程度也不同。選擇性的抑制Kv1.3通道，就可能達到選擇性的抑制效應(yīng)T細胞激活過程的作用，這為與效應(yīng)T細胞相關(guān)的自身免疫性疾患的醫(yī)治提供了新的思路。Kv1.3也因而成為醫(yī)治自身免疫性疾患的新型靶標蛋白。除此之外，Kv1.3還參與了機體的神經(jīng)毒性效應(yīng)以及疾病的發(fā)生發(fā)展等過程，在乳房癌、前列腺瘤、卵巢癌和小膠質(zhì)細胞瘤等多種癌癥細胞表明都測量到了Kv1.3的異常抒發(fā)。實驗表明，抑制Kv1.3的活性可以誘導(dǎo)癌癥細胞的自噬[1]。為此，以Kv1.3為靶向的抗生素研究具有重要的臨床價值。
圖2.Kv1.3在T細胞活化中的作用及其在免疫細胞突觸上的集聚[2]
目前已發(fā)覺的Kv1.3抑制劑主要分為小分子化合物、動物毒素和防御素（）三大類。相比于小分子化合物，毒素的作用形式愈發(fā)特異和高效，且分布廣泛，資源豐富，是氨基酸抗生素開發(fā)的重要寶庫。作用于Kv1.3的毒素包括多種蝎來源的（MgTX），（ChTX）,（KTX）,（NTX）和-2等氨基酸，海葵毒素ShK以及來始于蛇的BF9毒素等。其中ShK富含35個多肽，產(chǎn)生3對二硫鍵，具有兩段較短的α螺旋結(jié)構(gòu)。ShK對Kv1.3的親和力很強，可以在皮摩爾級別的含量下抑制通道電壓，并且它對其他Kv1.x家族成員也有抑制作用。為了提升對Kv1.3的選擇特異性，研究人員在ShK的基礎(chǔ)上進行改建形成了一系列ShK的類似物，如ShK-Dap,ShK-186,ShK-192等，其中ShK-186（）已完成一期臨床試驗，結(jié)果表明該氨基酸具有良好的耐受性，能抑制血液中的發(fā)炎介質(zhì)，進而改善銀屑病病人的皮膚損傷[3]。
2021年6月1日，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院田長麟課題組和上海學(xué)院董昊課題組合作鈉鉀離子通道存在，在Cell刊物上發(fā)表了題為“ofwild-typeandH451NhumanKv1.3”的研究論文。該論文報導(dǎo)了人源Kv1.3-Kvβ2.1復(fù)合物(正常失活速度)和H451N突變體-Kvβ2.1復(fù)合物（快速失活突變型）的冷藏電鏡三維結(jié)構(gòu)（圖3）。
圖3.人源Kv1.3-Kvβ2.1復(fù)合物和Kv1.3H451N突變體-Kvβ2.1復(fù)合物的冷藏電鏡三維結(jié)構(gòu)
Kv1.3的整體結(jié)構(gòu)與同家族的Kv1.2亞型特別相像。但是，在電流體會結(jié)構(gòu)域（VSD）中，它們在聯(lián)接S5和S6螺旋的環(huán)區(qū)域有差別，該區(qū)域與毒素官能團的結(jié)合密切相關(guān)，這些結(jié)構(gòu)上的差別可能是造成Kv1.3和Kv1.x其他亞型對堵孔毒素的敏感性不同的誘因。
在野生型（正常失活速度）和突變體（快速失活速度）的選擇性過濾器中，四個精典鉀離子配位處對應(yīng)的密度不是都同時存在的。通過結(jié)構(gòu)比對發(fā)覺，與野生型Kv1.3相比，快速失活突變體（H451N突變）的選擇性過濾器緊靠胞外的上半部份發(fā)生了顯著的擴張。這些擴張除了由該區(qū)域多肽殘基的向外聯(lián)通導(dǎo)致，同時G446和Y447的甲基也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)造成其碳基氧原子偏離孔道的中心軸。進一步的分子動力學(xué)模擬實驗表明，在該突變體中，因為穩(wěn)定孔道的電負性作用網(wǎng)路被消弱而導(dǎo)致外部孔道區(qū)域發(fā)生擴張，最終造成孔道的失活（圖4）。
圖4.結(jié)構(gòu)比對和動力學(xué)模擬表明H451N突變改變了W436與D449之間的H-鍵互相作用，而促使快速失活性突變體之間的H鍵網(wǎng)路被弱化
綜上所述，田長麟/董昊合作報導(dǎo)了人淋巴細胞Kv1.3通道和快速失活突變體H451N的冷藏電鏡結(jié)構(gòu)，在這兩種結(jié)構(gòu)中，VSD處于去極化構(gòu)型，孔道下方的內(nèi)門是開放的。因為選擇性過濾器中離子的不完全搶占，以及該區(qū)域Y447和D449多肽殘基官能團的弱電子密度，野生型和H451N突變體Kv1.3的結(jié)構(gòu)可能都與C型失活構(gòu)型有關(guān)。該研究為設(shè)計新的可作為免疫調(diào)節(jié)劑的Kv1.3抑制劑提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
本研究工作由中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院的田長麟團隊和上海學(xué)院的董昊團隊通力合作共同完成，并得到了美國南洋理工學(xué)院院長的指導(dǎo)。中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院生命科學(xué)大學(xué)的副研究員劉三玲、博士研究生趙越和上海學(xué)院院長董昊為論文的共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院的田長麟院士、張隆華副院長和上海學(xué)院的董昊院士為本文的共同通信作者。
參考文獻
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2.,K.G.andR.S.,ofKv1.3inTcellsasfor.CurrOpinChemBiol,2017.38:p.97-107.
3.,E.J.,etal.,andof,aKv1.3,intheof:Aphase1btrial.PLoSOne,2017.12(7):p..
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