弱相互作用网络调控钾离子通道结构及功能的研究

钾离子通道是生物体内分布最为广泛、作用最为复杂的离子通道家族。钾离子通道正常的生理功能依赖于通道蛋白一系列的构象变化，通道蛋白的特定结构对应通道的不同状态并决定通道门控及离子选择性等功能。通道的结构变化受控于蛋白内部复杂的相互作用网络，因而对通道内部相互作用网络的研究是研究通道功能的核心问题之一。.本课题是申请人在国外研究工作的继续与延伸，将在通道蛋白三维精细结构的基础上，应用非平衡统计物理及分子动力学模拟等理论方法，以氢键等弱相互作用分析为中心，预测通道蛋白相互作用关键节点氨基酸，并辅之以分子生物学及电生理学实验手段进行验证。通过研究通道蛋白内部相互作用网络如何调控通道门控及离子选择性等功能，在单分子水平阐释离子通道的门控及离子选择性的微观机制,推动理论物理学与生命科学研究的结合。

钾离子通道是生物体内分布最为广泛、作用最为复杂的离子通道家族。钾离子通道正常的生理功能依赖于通道蛋白一系列的构象变化，通道蛋白的特定结构对应通道的不同状态并决定通道门控及离子选择性等功能。通道的构象变化受控于蛋白内部复杂的相互作用网络，因而对通道内部相互作用网络的研究是研究通道功能的核心问题之一。.课题申请者与河北工业大学展永教授以及美国弗吉尼亚联邦大学Diomedes E. Logothetis教授积极开展合作研究，采用分子动力学模拟、非平衡输运理论与定点突变、电生理实验并重的研究模式，以氢键等弱相互作用分析为中心，在单分子水平分析了通道蛋白内部弱相互作用如何通过调节通道内关键氨基酸的柔性影响通道门控特性的分子机制，经过课题组全体成员的积极努力，本课题研究顺利完成项目计划书的研究内容，在以下几个方面取得阶段性成果：.1. 课题负责人安海龙教授本年度顺利晋升为教授。.2. 课题组负责人安海龙教授与展永教授共同申报的“离子跨膜输运机制的基础研究”项目获得2012年度河北省自然科学二等奖，安海龙教授为第二完成人。.3. 课题组与美国弗吉尼亚联邦大学Diomedes E. Logothetis教授合作完成了对膜磷脂PIP2门控内向整流钾离子通道Kir2家族过程分子机制的研究工作。我们采用分子动力学模拟和定点突变、膜片钳以及双电极电压钳相结合的研究模式，首次发现诱导Kir2通道胞内GH-loop柔性增加的突变（如V223L、E272G等）同时加快Kir2通道开、关的动力学时程，即GH-loop的柔性是决定Kir2通道门控时程的关键因素。本研究内容已经发表在SCI二区杂志”Journal of Biological Chemistry”杂志2012年287期，页码范围：42278-42287。.4. 采用同源模建、分子动力学模拟和Targeted MD相结合的研究方法，综合考虑蛋白磷酸化和Kv2.1通道门控构象变化，揭示了Tyr124位点磷酸化对Kv2.1通道门控动力学过程的调节机制。我们的研究结果首次表明Tyr124的蛋白磷酸化的主要作用是增加Kv2.1通道蛋白中电压感受器S4螺旋的柔性，使得该区域在去极化电压下更容易发生构象变化，即通道更易于开放。.5. 在本项目资助下，安海龙教授独立指导研究生1名，协助展永教授指导博士研究生3名、硕士研究生2名，毕业研究生1名。