电压门控性钾通道电压门控机制的新探索

电压门控性钾通道在心脏和神经的兴奋活动中起重要作用。电压感受器（S1-S4）含有保守的规律排列的数个正电荷，当感受到膜电位变化时，发生移动，引起孔道构象改变，从而使通道开放或关闭。近年来，电压门控机制的研究因膜蛋白X-ray结晶的成功而引起争议。传统Shaker模型来自大量生物物理试验，认为S4被感受器和孔道包裹在中间，除极化时发生小幅度的旋转位移；而KvAP模型则来自最近的X-ray结晶数据，认为S4游离于感受器和孔道周围，除极化时发生杠杆式位移，且幅度较大。本项目采用膜拓扑结构分析方法，并结合膜片钳和激光扫描共聚焦显微镜等技术，通过对Shaker，KvAP，Ci-VSP等Kv通道电压感受器的结构与功能分析，试图从不同于以往的角度来对两种模型进行重新评价，找出分歧原因。初步数据表明电压感受器S4的跨膜能力很大程度上决定了门控机制的模型；门控机制的形成是一个进化的过程。

电压门控钾通道在心脏和神经的兴奋活动中起重要作用。近年来，电压门控机制的研究因膜蛋白X-ray 结晶的成功而引起争议。传统Shaker 模型来自大量生物物理试验，认为S4 被感受器和孔道包裹在中间，除极化时发生小幅度的旋转位移；而KvAP 模型则来自最近的X-ray 结晶数据，认为S4 游离于感受器和孔道周围，除极化时发生杠杆式位移，且幅度较大。本项目采用膜拓扑结构分析方法，并结合膜片钳和激光扫描共聚焦显微镜等技术，通过对Shaker，KvAP和Ci-VSP 等Kv通道电压感受器的结构与功能分析，试图从不同于以往的角度来对两种模型进行重新评价，找出分歧原因。通过对Kv通道多个亚家族的SOSUI疏水性分析，我们发现KvAP的电压感受器S3-S4的疏水性质与其他通道有明显的不同，S3具有亲水性，而S4具有疏水性；膜拓扑结构分析表明KvAP 通道电压感受器S4 片断具有跨膜能力，此现象未在其他Kv 通道中发现；而这一结果又被S4的膜插入自由能分析验证。对Shaker和KvAP电压感受器S3-S4的糖基化扫描分析表明，S3-S4在膜中所处的位置明显不同，尤其是S3，Shaker的S3为跨膜片段，而KvAP的S3位于膜的中间，为非跨膜片段。这些数据说明KvAP的电压感受器S3-S4与传统的Shaker相比较，在膜拓扑结构和膜所处位置上有明显的不同，而这些不同可能就是两大电压门控机制模型之间分歧的原因所在。由此，我们提出自己的观点，即电压感受器S4 的跨膜能力很大程度上决定了电压感受器S1-S4的结构，从而决定了其电压门控的方式；再加上电压敏感磷酸酶Ci-VSP的电压感受器能独立存在于膜上的事实，提示着电压门控钾通道门控机制的形成可能是一个进化的过程。接着，我们构建了由Shaker、KvAP的电压感受器与Ci-VSP的效应器磷酸酶组成的嵌合体。遗憾的是，膜片钳电生理实验并没有检测到它们的门控电流，而激光扫描共聚焦显微镜技术也没有检测到它们在细胞膜上的表达。我们需要进一步查明这些嵌合体是否形成了电压门控钾通道发挥正常功能所需要的四聚体结构。虽然在现有的实验基础上不能确定KvAP通道的电压感受器是否有自己独立的结构与功能，但并不影响我们上面提出的观点。