阳离子-氯离子共转运蛋白冷冻电镜结构生物学研究

Cation-chloride cotransporters mediate the transmembrane transport of Na+, K+ and Cl-, and play important roles in the regulation of cell volume, salt reabsorption in renal tubules, and the modulation of intracellular Cl- concentration and excitability of neurons and so on. Human genome encodes 7 cation-chloride cotransporters, including two Na-K-Cl cotransporters (NKCC1 and NKCC2), one Na-Cl cotransporter (NCC) and four K-Cl cotransporters (KCC1-4). KCC2 mutation or dysfunction will directly induce an increase in intracellular Cl- concentration of neurons and therefore lead to nervous system diseases such as epilepsy. So it is of clinical importance to study the structure and mechanism of cation-chloride cotransporters. In this project, we will study the structure of cation-chloride cotransporters, mainly using single particle cryo-EM technique, combining with biochemistry and medicinal chemistry methods, aimed at revealing the three-dimensional structure of cation-chloride cotransporters at atomic resolution, elucidating the cation-chloride co-transport mechanism, identifying drug ligands binding site and their working mechanism, and providing structure information for related disease treatment in clinical practice.

阳离子-氯离子共转运蛋白介导Na+、K+和Cl-的跨膜运输，在调节细胞体积、承担肾小管重吸收和调节神经元细胞内氯离子浓度和神经元的兴奋性等过程中发挥着重要作用。人类基因组编码7个阳离子-氯离子共转运蛋白，包括2个钠钾氯共转运蛋白（NKCC1和NKCC2）、1个钠氯共转运蛋白（NCC）和4个钾氯共转运蛋白（KCC1-4）。KCC2突变或功能缺失会直接导致神经元细胞内氯离子浓度升高从而引发神经系统疾病如癫痫等。因此阳离子-氯离子共转运蛋白的结构和机理研究具有重要的临床应用价值。本项目以阳离子-氯离子共转运蛋白为研究对象，采用最先进的单颗粒冷冻电镜技术，结合生物化学和药物化学等方法，在原子分辨率水平上揭示阳离子-氯离子共转运蛋白的三维结构，阐明其同时同向转运阳离子和氯离子的机理，鉴定出药物小分子的结合位点和作用机理，为临床上治疗相关疾病提供结构信息。

阳离子-氯离子共转运蛋白介导Na+、K+和Cl-的跨膜运输，在调节细胞体积、承担肾小管重吸收和调节神经元细胞内氯离子浓度和神经元的兴奋性等过程中发挥着重要作用。人类基因组编码7个阳离子-氯离子共转运蛋白，包括2个钠钾氯共转运蛋白（NKCC1和NKCC2）、1个钠氯共转运蛋白（NCC）和4个钾氯共转运蛋白（KCC1-4）。KCC2突变或功能缺失会直接导致神经元细胞内氯离子浓度升高从而引发神经系统疾病如癫痫等。因此阳离子-氯离子共转运蛋白的结构和机理研究具有重要的临床应用价值。本项目解析了人源钾氯共转运蛋白KCC1-4的冷冻电镜结构，揭示了KCC的结构特征和底物离子识别的结构基础，提出了KCC以1：1比例同向转运钾离子和氯离子的分子机制（Science 2019; 366(6464):505-508）。本项目还发现KCC的N末端肽段对转运活性进行自抑制现象，提出KCC通过二聚化状态调控其活性的分子机制（Sci Adv 2020; 6(50):eabc5883）。本项目极大推进了人们对钾氯共转运蛋白的分子机制的认识，为开发靶向KCC2的抗癫痫药提供思路。