離子通道是細胞膜上的具有親水孔道的一類疏水膜蛋白，能選擇性通透不同離子(如：K+細胞膜離子通道，Na+，Ca2+，Cl-等）。隨著跨膜離子流動而致使通道所在膜兩側(cè)的跨膜電位發(fā)生變化，從而實現(xiàn)神經(jīng)傳導(dǎo)，胸肌收縮，或細胞內(nèi)外離子平衡。電流門控離子通道的孔道開放與關(guān)掉受細胞膜兩側(cè)的膜電位調(diào)節(jié)。不同離子通道受膜電位影響的形式不一樣，包括去極化（膜內(nèi)電流低于膜外電流）或超極化（膜外電流低于膜內(nèi)電流）調(diào)節(jié)。
鉀離子是動物生命過程中的關(guān)鍵元素，在動物的生長發(fā)育及各類生理過程中起至關(guān)重要的作用。動物借助細胞膜表面的鉀離子通道進行鉀離子吸收或則外排，進而維持體內(nèi)鉀平衡并實現(xiàn)生理功能調(diào)節(jié)。KAT1是抒發(fā)于擬南芥莖稈氣孔保衛(wèi)細胞（guardcell）中的鉀離子通道。研究表明KAT1是一種電流門控的外向檢波鉀離子通道，介導(dǎo)K+內(nèi)流，導(dǎo)致氣孔膨脹和開放，在調(diào)節(jié)動物莖稈表面氣孔孔隙變化中起關(guān)鍵作用。
KAT1屬于一種較為罕見的超極化激活-外向整流離子通道（K+）。與典型的去極化激活K+通道相比，KAT1具有奇特的反向電流依賴性：去極化引起通道關(guān)掉，超極化引起通道開放，并開放K+向內(nèi)流動（高等植物中電壓門控K+通道一般為內(nèi)向檢波K+離子通道）。目前，超極化激活的外向整流離子通道的研究十分少，其奇特門控特點的結(jié)構(gòu)機制依然不夠清楚。
近日，中國科學技術(shù)學院田長麟課題組在Cell在線發(fā)表題為Cryo-EMofthe-KAT1from的研究論文，報導(dǎo)了來始于擬南芥的超極化外向檢波鉀離子通道KAT1的冷藏電鏡結(jié)構(gòu)，整體幀率為3.2。KAT1的結(jié)構(gòu)是目前報導(dǎo)的第一個來始于動物的鉀離子通道結(jié)構(gòu)。
KAT1冷藏電鏡結(jié)構(gòu)表明KAT1具有典型的“非結(jié)構(gòu)域交換（non--）”的拓撲結(jié)構(gòu)，這與來始于植物的Eag(Kv10.1)，hErg(Kv11.1)，HCN1等通道具有較高的結(jié)構(gòu)相像性，而與Kv1.2,Nav,Cav等通道的拓撲結(jié)構(gòu)存在較大差異。KAT1具有由Thr-Thr-Gly-Tyr-Gly等多肽構(gòu)成的K+離子選擇過濾器（），以及由(RIL)(SML)(RLW)(RLR)(RVS)等多肽構(gòu)成的電流體會器（），符合精典的鉀離子通道結(jié)構(gòu)特點。通過與Kv1.2,Eag,hErg以及HCN1等離子通道進行結(jié)構(gòu)比較發(fā)覺，作為電流體會器的S4跨膜螺旋自身并不決定KAT1的超極化激活。
結(jié)合KAT1的膜片鉗電生理和KAT1冷藏電鏡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，KAT1的S4,S5跨膜螺旋之間的結(jié)構(gòu)與S6螺旋前端的C-結(jié)構(gòu)之間存在較為穩(wěn)定的互相作用，在超極化條件下，S4螺旋向細胞膜內(nèi)滑動細胞膜離子通道，促使S6螺旋，從而打開通道。該工作闡明了KAT1與精典鉀離子通道之間的結(jié)構(gòu)相像性以及差別，為闡述離子通道的門控機制，非常是超極化激活的外向檢波K+通道的數(shù)學物理機制提供了新的線索。
值得一提的是，該項工作還在評審期間，洛杉磯學院課題組5月27日在發(fā)表了同一個蛋白的冷藏電鏡結(jié)構(gòu)，并闡明與本項工作類似的超極化激活機制()。該項工作經(jīng)過評審后，于8月14日被國外刊物Cell接收，9月8日公開發(fā)布。
該工作由中國科學技術(shù)學院生命大學博士研究生李思宇，楊帆，張勇及特任副研究員孫德猛等共同完成，田長麟院長，張隆華副院長，孫德猛特任副研究員指導(dǎo)本項工作，并作為本文的共同通信作者。