6 月 6 日，上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù) 學(xué)院蓋景鵬課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所高召兵課題組、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心于杰課題組及 北京大學(xué)宋晨課題組 ，在 Nature Communications 在線發(fā)表題為 Cryo-EM Structures of Heteromeric Kir4.1/5.1 Channel Suggest Mechanisms of Inward Rectification and Channel Blockage 的研究論文 研究綜合運(yùn)用冷凍電鏡、電生理學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬， 首次報(bào)道 了異源內(nèi)向整流鉀通道 Kir4.1/5.1 在無配體及多種阻滯分子結(jié)合狀態(tài)下的高分辨率結(jié)構(gòu)，提出并驗(yàn)證了多胺和通道阻滯劑 介 導(dǎo)的 “ 內(nèi)環(huán)阻塞（ inner-ring blockage ） ” 整流 新 機(jī)制。

內(nèi)向整流鉀離子（ Kir ）通道通過調(diào)控細(xì)胞膜電位和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)，參與神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)、心率、胰島素釋放、聽力和腎臟功能等重要生理過程。其中， Kir4.1 （由 KCNJ10 編碼）和 Kir5.1 （由 KCNJ16 編碼）屬于 K? 轉(zhuǎn)運(yùn)型 Kir 通道，主要表達(dá)于腦、腎臟和內(nèi)耳，可組裝形成 Kir4.1/5.1 異源四聚體。與同源 Kir4.1 通道相比， Kir4.1/5.1 具有更大的單通道電導(dǎo)、更強(qiáng)的內(nèi)向整流、更高的 pH 敏感性及多樣的胞內(nèi)調(diào)控特征。 KCNJ10 突變會(huì)導(dǎo)致 EAST/ SeSAME 綜合征，患者可出現(xiàn)癲癇、共濟(jì)失調(diào)、感音神經(jīng)性耳聾和腎臟鹽耗損等癥狀； Kir5.1 功能異常也 變現(xiàn)出 部分重疊但不同的疾病譜。 盡管長(zhǎng)達(dá)近 80 年的研究，特別是 1949 年內(nèi)向整流鉀離子通道電流的鑒定以及 20 世紀(jì) 90 年代確立的以細(xì)胞內(nèi) Mg2? 和多胺的電壓依賴性阻塞 作為主要的內(nèi)向整流機(jī)制 模型 ，多胺如何在孔道中結(jié)合并實(shí)現(xiàn) 阻塞仍 長(zhǎng)期缺乏直接結(jié)構(gòu)證據(jù)。

本研究團(tuán)隊(duì)解析了 Kir4.1/5.1 在無配體（ apo ） ，以及多種阻滯分子結(jié)合狀態(tài)改下的三維結(jié)構(gòu)，包括 精胺（ spermine ）、 已報(bào)道抑制劑 VU0134992 和 本研究中新鑒定抑制劑 EHop-016 ，整體分辨率達(dá)到 3.1-3.5 ? 。結(jié)構(gòu)顯示， Kir4.1/5.1 由兩個(gè) Kir4.1 亞基和兩個(gè) Kir5.1 亞基以相對(duì)交替方式組裝成 2:2 異源四聚 體（圖1a,b）。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)精 胺分子、兩個(gè)通道阻滯劑 VU0134992 分子，或一個(gè) EHop-016 分子，均結(jié)合于跨膜區(qū)中央 腔 上部，并以平行于細(xì)胞膜的取向橫向占據(jù)離子通路（圖1 c-f）。 EHop-016 是研究中新鑒定出的 Kir4.1/5.1 抑制劑，為具有抗癌活性的 Rac GTPase 抑制劑；電生理結(jié)果顯示，其對(duì) Kir4.1 和 Kir4.1/5.1 的 IC 50 s 分別為 0.80 ± 0.05 μM 和 3.20 ± 0.18 μM ，阻斷活性強(qiáng)于 VU0134992 。

圖 1. Kir4.1/5.1 異源四聚 體的整體結(jié)構(gòu)及精胺、 VU0134992 、 EHop-016 結(jié)合位點(diǎn)示意。

不同于傳統(tǒng)上認(rèn)為長(zhǎng)鏈多胺沿孔道軸向進(jìn)入并被 “ 陷獲 ” 的想象，這些結(jié)構(gòu)顯示阻滯分子在中央腔上部呈膜面平行取向，像一道橫向 “ 內(nèi)環(huán) ” 阻斷離子通路。突變、電生理和分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果進(jìn)一步表明， Kir4.1 的 E158 等位于中央腔上部的關(guān)鍵殘基參與精胺和阻滯劑結(jié)合，并影響內(nèi)向整流和藥物敏感性?；诮Y(jié)構(gòu) 、分子動(dòng)態(tài)模擬 和 電生理 功能分析 ，團(tuán)隊(duì)提出 了解釋 Kir 通道內(nèi)向整流機(jī)制的 “ 內(nèi)環(huán)阻塞 ” 田徑場(chǎng) 模型（圖2）：兩個(gè)長(zhǎng)度約 15 ? 的精胺或 VU0134992 分子可交錯(cuò)占據(jù)類似 “4×100 米接力 ” 跑道中的第 2 棒 和第 4 棒 位置（圖1c,d）， VU0134992 還可呈另一取向占據(jù)第 1 和第 3 位置（圖1e）；而長(zhǎng)度約 19 ? 、體積更大的 EHop-016 則以單分子形式形成 “U 形環(huán)狀阻塞 ” 占據(jù) “ 田徑場(chǎng) ” 內(nèi)側(cè) ，將孔徑壓縮至約 0.5 ?（圖1f）。

圖 2. 多胺和通道阻滯劑介導(dǎo)的 “ 內(nèi)環(huán)阻塞（ inner-ring blockage ） ” 模型。

該研究在原子層面捕獲了 Kir4.1/5.1 與天然多胺及不同化學(xué)類型阻滯劑的結(jié)合方式，解釋了異源 Kir4.1/5.1 較強(qiáng)內(nèi)向整流的部分結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也將經(jīng)典的 “ 空腔捕獲（ cavity trapping ） ” 或 “ 深部整流 ” 模型推進(jìn)到更具體的多位點(diǎn)相互作用圖景。論文同時(shí)提示， Kir4.1/5.1 的內(nèi)向整流可能由多胺 /Mg2? 依賴的外源性機(jī)制和 K? 通量驅(qū)動(dòng)的內(nèi)源性機(jī)制共同貢獻(xiàn)，其相對(duì)作用受細(xì)胞內(nèi) pH 、 PIP? 、多胺和 Mg2? 水平等因素調(diào)節(jié)。相關(guān)發(fā)現(xiàn)為理解EAST/SeSAME綜合征等Kir通道相關(guān)疾病機(jī)制，以及面向Kir通道上部中央腔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向藥物設(shè)計(jì)提供了新的框架。

上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生寧瑩潔、中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所副研究員周曉宇、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生張一敏、北京大學(xué)博士后陳楠浩以及中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所博士生郭倩蓓為論文共同第一作者；上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蓋景鵬教授、中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所高召兵研究員、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心于杰研究員、北京大學(xué) 宋晨課題組 陳楠浩博士為共同通訊作者。 四川大學(xué)華西醫(yī)院泌尿外科研究所 楊冬雪 研究員 為該論文提供了重要幫助。

10.1038/s41467-026-74087-9

制版人： 十一

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