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  • 郭江濤課題組Cell Research發文揭示配體激活人源KCNQ2通道的分子基礎

    來源 :基礎醫學系    發布時間 :2020-09-09    瀏覽次數 :457

    電壓門控鉀離子通道KCNQ家族在維持細胞興奮性和離子平衡等生理過程中發揮重要作用。KCNQ2KCNQ3可形成同源或異源四聚體,是形成神經元M電流的主要分子基礎。KCNQ2KCNQ3基因突變會引發良性家族性新生兒驚厥癥,KCNQ2基因突變也會導致癲癇性腦病的發生。此外,神經元過度興奮也會引發其他疾病如疼痛、帕金森病、局部缺血、精神分裂癥等;調節KCNQ2是治療這些疾病的一種潛在策略。因此,KCNQ2是一個與多種神經疾病相關的重要藥物靶點。

    許多小分子藥物通過激活KCNQ2來達到治療效果。瑞替加濱(Retigabine,RTG) 是第一個靶向KCNQ2通道治療癲癇疾病的激動劑,2011年被批準使用,主要用于輔助治療成人難治性癲癇部分性發作。RTG的結構類似物Flupirtine,在歐洲用于治療急性和慢性疼痛已有數十年。然而,這兩種藥物由于選擇性較差會對患者造成一定的副作用。另一種化合物ICA-27243,與RTG具有不同的作用位點,可選擇性激活KCNQ2/3通道,并在癲癇模型小鼠中表現出抗驚厥活性。為了明確小分子藥物在KCNQ2上的結合位點,揭示KCNQ2的配體激活機制,促進抗癲癇和鎮痛藥物的開發,202093日,浙江大學基礎醫學院郭江濤課題組和華東師范大學生命科學學院陽懷宇課題組在Cell Research上發表了題為Molecular basis for ligand activation of the human KCNQ2 channel的研究論文。該文章利用冷凍電鏡技術解析了人源KCNQ2及其與小分子RTGztz240 (一種ICA-27243結構類似物)的結構,揭示了配體激活人源KCNQ2通道的分子基礎。

    作者首先解析了人源KCNQ2通道的結構(圖1)。KCNQ2四聚體處于一種典型的域交換(domain-swapping)構象,通道中央是孔道結構域(pore domain, PD),周圍是電壓感受器結構域(voltage-sensing domain, VSD)。每個單體含有6個跨膜螺旋(S1-S6),S1-S4組成電壓感受器結構域,S5-S6組成孔道結構域。該結構中孔道結構域處于關閉狀態,而電壓感受器結構域卻處于激活狀態。

     

    1,人源KCNQ2通道四聚體結構。a,KCNQ2冷凍電鏡密度圖;b,KCNQ2卡通結構圖;c,KCNQ2電壓感受器結構域的結構和KCNQ家族S4的序列比對;d,KCNQ2孔道結構圖。

     

    隨后,作者又分別解析了KCNQ2結合ztz240RTG的結構,確定了兩種小分子激動劑的結合位點,并提出了潛在的激活機理。在KCNQ2-ztz240結構中,ztz240位于電壓感受器結構域中S3S4之間的側間隙,與電荷轉移中心(gating-charge transfer center)直接相互作用;相互作用氨基酸包括S2Phe137,S3Asp172,S4Arg207Arg210等(圖2)。電生理實驗進一步驗證了該結合位點。通過對比KCNQ2- ztz240apo狀態的KCNQ2的構象變化發現,ztz240像一個楔子一樣插入S3S4之間的疏水口袋,穩定了激活狀態的S4的構象。從而推斷,ztz240通過將電壓感受器結構域維持在激活狀態來激活KCNQ2。

     

    2, KCNQ2結合ztz240的結構。a,ztz240KCNQ2的位置;b,ztz240結合位點的局部電子密度;c,ztz240位于門控電荷轉移中心。

     

    ztz240不同,RTG結合在孔道結構域側面的S5、S6和相鄰亞基的S6形成的疏水口袋中(圖3)。除了疏水相互作用,RTG還與周圍氨基酸形成氫鍵,其中S5上保守的Trp236RTG的結合至關重要。RTG的結合位點也通過電生理實驗進行了驗證。RTG的結合主要引起KCNQ2在孔道結構域的構象變化;而電壓感受器結構域卻沒有發生明顯的變化,但較高的溫度因子顯示其具有更大的活動性。所以,與ztz240的激活機制不同,RTG在此起到變構調節的作用:與孔道結構域結合,但改變了通道的電壓依賴性。

     

    3,KCNQ2結合RTG的結構。a,RTGKCNQ2的位置;b,RTG的電子密度;c,RTG與其周圍氨基酸殘基之間的氫鍵(虛線);d,RTG與其周圍氨基酸殘基之間的疏水相互作用。

     

    此外,通過質譜分析,作者發現KCNQ2可與內源性鈣調素(CaM)形成復合物。作者進一步解析了KCNQ2-CaM復合物的低分辨率電鏡結構。在胞內區,KCNQ2的胞內螺旋HA、HB被鈣調素緊緊包裹,四個HC螺旋形成一個卷曲螺旋(coiled coil)。與之前解析的KCNQ1-CaM復合物相比,KCNQ2-CaMHAHB的走向發生變化,兩個相鄰亞基的HA-HB-CaM結構域彼此分開,而它們在KCNQ1-CaM中卻直接相互作用。

    本研究解析了KCNQ2ztz240RTG復合物的結構,明確了ztz240RTG的不同結合位點,并探討了兩種配體激活KCNQ2的分子機制。在目前止痛和抗癲癇藥物存在副作用的情況下,兩種激動劑在不同結合位點的識別將有助于未來藥物的開發和優化。

    浙江大學基礎醫學院2018級博士研究生李瀟瀟、華東師范大學生命科學學院張乾森副研究員和郭佩佩博士研究生為本文共同第一作者。天津大學葉升教授參與了本研究工作。本研究的電鏡數據收集得到浙江大學冷凍電鏡中心的大力支持。浙江大學基礎醫學院郭江濤和華東師范大學生命科學學院陽懷宇為共同通訊作者。

    原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-020-00410-8

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