6 月 6 日，上海科技大學生命科學與技術 學院蓋景鵬課題組聯合中國科學院上海藥物研究所高召兵課題組、中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心于杰課題組及 北京大學宋晨課題組 ，在 Nature Communications 在線發表題為 Cryo-EM Structures of Heteromeric Kir4.1/5.1 Channel Suggest Mechanisms of Inward Rectification and Channel Blockage 的研究論文 研究綜合運用冷凍電鏡、電生理學和分子動力學模擬， 首次報道 了異源內向整流鉀通道 Kir4.1/5.1 在無配體及多種阻滯分子結合狀態下的高分辨率結構，提出并驗證了多胺和通道阻滯劑 介 導的 “ 內環阻塞（ inner-ring blockage ） ” 整流 新 機制。

內向整流鉀離子（ Kir ）通道通過調控細胞膜電位和鉀離子轉運，參與神經信號傳導、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? 轉運型 Kir 通道，主要表達于腦、腎臟和內耳，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、更強的內向整流、更高的 pH 敏感性及多樣的胞內調控特征。 KCNJ10 突變會導致 EAST/ SeSAME 綜合征，患者可出現癲癇、共濟失調、感音神經性耳聾和腎臟鹽耗損等癥狀； Kir5.1 功能異常也 變現出 部分重疊但不同的疾病譜。 盡管長達近 80 年的研究，特別是 1949 年內向整流鉀離子通道電流的鑒定以及 20 世紀 90 年代確立的以細胞內 Mg2? 和多胺的電壓依賴性阻塞 作為主要的內向整流機制 模型 ，多胺如何在孔道中結合并實現 阻塞仍 長期缺乏直接結構證據。

本研究團隊解析了 Kir4.1/5.1 在無配體（ apo ） ，以及多種阻滯分子結合狀態改下的三維結構，包括 精胺（ spermine ）、 已報道抑制劑 VU0134992 和 本研究中新鑒定抑制劑 EHop-016 ，整體分辨率達到 3.1-3.5 ? 。結構顯示， Kir4.1/5.1 由兩個 Kir4.1 亞基和兩個 Kir5.1 亞基以相對交替方式組裝成 2:2 異源四聚 體（圖1a,b）。研究進一步發現，兩個精 胺分子、兩個通道阻滯劑 VU0134992 分子，或一個 EHop-016 分子，均結合于跨膜區中央 腔 上部，并以平行于細胞膜的取向橫向占據離子通路（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；電生理結果顯示，其對 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 ，阻斷活性強于 VU0134992 。

圖 1. Kir4.1/5.1 異源四聚 體的整體結構及精胺、 VU0134992 、 EHop-016 結合位點示意。

不同于傳統上認為長鏈多胺沿孔道軸向進入并被 “ 陷獲 ” 的想象，這些結構顯示阻滯分子在中央腔上部呈膜面平行取向，像一道橫向 “ 內環 ” 阻斷離子通路。突變、電生理和分子動力學結果進一步表明， Kir4.1 的 E158 等位于中央腔上部的關鍵殘基參與精胺和阻滯劑結合，并影響內向整流和藥物敏感性。基于結構 、分子動態模擬 和 電生理 功能分析 ，團隊提出 了解釋 Kir 通道內向整流機制的 “ 內環阻塞 ” 田徑場 模型（圖2）：兩個長度約 15 ? 的精胺或 VU0134992 分子可交錯占據類似 “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第 1 和第 3 位置（圖1e）；而長度約 19 ? 、體積更大的 EHop-016 則以單分子形式形成 “U 形環狀阻塞 ” 占據 “ 田徑場 ” 內側 ，將孔徑壓縮至約 0.5 ?（圖1f）。

圖 2. 多胺和通道阻滯劑介導的 “ 內環阻塞（ 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類型阻滯劑的結合方式，解釋了異源 Kir4.1/5.1 較強內向整流的部分結構基礎，也將經典的 “ 空腔捕獲（ cavity trapping ） ” 或 “ 深部整流 ” 模型推進到更具體的多位點相互作用圖景。論文同時提示， Kir4.1/5.1 的內向整流可能由多胺 /Mg2? 依賴的外源性機制和 K? 通量驅動的內源性機制共同貢獻，其相對作用受細胞內 pH 、 PIP? 、多胺和 Mg2? 水平等因素調節。相關發現為理解EAST/SeSAME綜合征等Kir通道相關疾病機制，以及面向Kir通道上部中央腔的結構導向藥物設計提供了新的框架。

上海科技大學生命科學與技術學院博士研究生寧瑩潔、中國科學院上海藥物研究所副研究員周曉宇、中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生張一敏、北京大學博士后陳楠浩以及中國科學院上海藥物研究所博士生郭倩蓓為論文共同第一作者；上海科技大學生命科學與技術學院蓋景鵬教授、中國科學院上海藥物研究所高召兵研究員、中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心于杰研究員、北京大學 宋晨課題組 陳楠浩博士為共同通訊作者。 四川大學華西醫院泌尿外科研究所 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

學術合作組織

（*排名不分先后）

戰略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

點擊主頁推薦活動

關注更多最新活動！