鉀離子通道是目前發覺分布最廣、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、腎臟和中樞神經系統等部位的嚴重病癥。電流門控鉀離子通道（-gated，Kv）是一類精典鉀離子通道，它的開啟和關掉由膜電位決定并與電位變化時間有關，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節,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數百微秒，然后通道才會手動關掉，停止離子傳導，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都關注的重點，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“關閉-開放-失活”三個狀態之間進行循環；(B)在電流維持下，離子通道會自發失活。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端結構域在胞內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的設想變化；(D)有的C-型失活機制被覺得是孔道過濾區的緊縮；(E)有的C-型失活機制被覺得是孔道過濾區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淋巴細胞中被發覺的，它在免疫系統、神經系統和血管平滑肌細胞中都有抒發。Kv1.3是目前發覺在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節上。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（圖2）。研究表明，Kv1.3主要參與效應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T細胞激活過程的作用，這為與效應T細胞相關的自身免疫性疾患的醫治提供了新的思路。Kv1.3也因而成為醫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毒性效應以及疾病的發生發展等過程，在乳房癌、前列腺瘤、卵巢癌和小膠質細胞瘤等多種癌癥細胞表明都測量到了Kv1.3的異常抒發。實驗表明，抑制Kv1.3的活性可以誘導癌癥細胞的自噬[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特異和高效，且分布廣泛，資源豐富，是氨基酸抗生素開發的重要寶庫。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，產生3對二硫鍵，具有兩段較短的α螺旋結構。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，結果表明該氨基酸具有良好的耐受性，能抑制血液中的發炎介質，進而改善銀屑病病人的皮膚損傷[3]。
2021年6月1日，中國科學技術學院田長麟課題組和上海學院董昊課題組合作鈉鉀離子通道存在，在Cell刊物上發表了題為“ofwild-typeandH451NhumanKv1.3”的研究論文。該論文報導了人源Kv1.3-Kvβ2.1復合物(正常失活速度)和H451N突變體-Kvβ2.1復合物（快速失活突變型）的冷藏電鏡三維結構（圖3）。
圖3.人源Kv1.3-Kvβ2.1復合物和Kv1.3H451N突變體-Kvβ2.1復合物的冷藏電鏡三維結構
Kv1.3的整體結構與同家族的Kv1.2亞型特別相像。但是，在電流體會結構域（VSD）中，它們在聯接S5和S6螺旋的環區域有差別，該區域與毒素官能團的結合密切相關，這些結構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的密度不是都同時存在的。通過結構比對發覺，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生了顯著的擴張。這些擴張除了由該區域多肽殘基的向外聯通導致，同時G446和Y447的甲基也發生了旋轉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模擬實驗表明，在該突變體中，因為穩定孔道的電負性作用網路被消弱而導致外部孔道區域發生擴張，最終造成孔道的失活（圖4）。
圖4.結構比對和動力學模擬表明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鍵網路被弱化
綜上所述，田長麟/董昊合作報導了人淋巴細胞Kv1.3通道和快速失活突變體H451N的冷藏電鏡結構，在這兩種結構中，VSD處于去極化構型，孔道下方的內門是開放的。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的結構可能都與C型失活構型有關。該研究為設計新的可作為免疫調節劑的Kv1.3抑制劑提供了結構基礎。
本研究工作由中國科學技術學院的田長麟團隊和上海學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院院長的指導。中國科學技術學院生命科學大學的副研究員劉三玲、博士研究生趙越和上海學院院長董昊為論文的共同第一作者，中國科學技術學院的田長麟院士、張隆華副院長和上海學院的董昊院士為本文的共同通信作者。
參考文獻
1.,L.,etal.,ofKv1.3Bax/Bak-deathofcells.EMBOMolMed,2012.4(7):p.577-93.
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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