科大学者揭示调节植物叶片气孔孔隙变化的钾离子通道KAT1超极化激活内向整流的结构基础

2020年09月11日
中国科学技术大学揭示调节植物叶片气孔孔隙变化的钾离子通道KAT1超极化激活内向整流的结构基础

离子通道是细胞膜上的具有亲水孔道的一类疏水膜蛋白，能选择性通透不同离子(如：K+，Na+，Ca2+，Cl-等）。随着跨膜离子流动而使得通道所在膜两边的跨膜电位发生变化，进而实现神经传导，肌肉收缩，或细胞内外离子平衡。电压门控离子通道的孔道开放与关闭受细胞膜两边的膜电位调节。不同离子通道受膜电位影响的方式不一样，包括去极化（depolarization膜内电压高于膜外电压） 或超极化（hyperpolarization膜外电压高于膜内电压）调节。
钾离子是植物生命过程中的关键元素，在植物的生长发育及各种生理过程中起至关重要的作用。植物利用细胞膜表面的钾离子通道进行钾离子吸收或者外排，从而维持体内钾平衡并实现生理功能调节。KAT1是表达于拟南芥叶片气孔保卫细胞（guard cell）中的钾离子通道。研究表明KAT1是一种电压门控的内向整流钾离子通道，介导K+内流，引起气孔膨胀和开放，在调节植物叶片表面气孔孔隙变化中起关键作用。

KAT1属于一种较为罕见的超极化激活-内向整流离子通道（hyperpolarization inward rectifying K+ channel）。与典型的去极化激活K +通道相比，KAT1具有独特的反向电压依赖性：去极化导致通道关闭，超极化导致通道开放，并开放K+向内流动（高等动物中电压门控K+通道通常为外向整流K+离子通道）。目前，超极化激活的内向整流离子通道的研究非常少，其独特门控特性的结构机制仍然不够清楚。
2020年9月8日，中国科学技术大学田长麟课题组在Cell Research在线发表题为“Cryo-EM structure of the hyperpolarization-activated inwardly rectifying potassium channel KAT1 from Arabidopsis”的研究论文，该研究报告了来源于拟南芥的超极化内向整流钾离子通道KAT1的冷冻电镜结构，整体分辨率为3.2 Å。KAT1的结构是目前报道的第一个来源于植物的钾离子通道结构。

KAT1冷冻电镜结构表明KAT1具有典型的“非结构域交换(non-domain-swapped)”的拓扑结构，这与来源于动物的Eag (Kv10.1)，hErg (Kv11.1)，HCN1等通道具有较高的结构相似性，而与Kv1.2, Nav, Cav等通道的拓扑结构存在较大差别。KAT1具有由Thr-Thr-Gly-Tyr-Gly等氨基酸构成的K+离子选择过滤器(selectivity filter)，以及由(RIL)(SML)(RLW)(RLR)(RVS)等氨基酸构成的电压感受器(voltage sensor)，符合经典的钾离子通道结构特征。通过与Kv1.2, Eag, hErg以及HCN1等离子通道进行结构比较发现，作为电压感受器的S4跨膜螺旋自身并不决定KAT1的超极化激活。

结合KAT1的膜片钳电生理和KAT1冷冻电镜结构数据表明，KAT1的S4, S5跨膜螺旋之间的linker结构与S6螺旋后端的C-linker结构之间存在较为稳定的相互作用，在超极化条件下，S4螺旋向细胞膜内滑动，推动S6螺旋，进而打开通道。该工作揭示了KAT1与经典钾离子通道之间的结构相似性以及差异，为阐明离子通道的门控机制，特别是超极化激活的内向整流K+通道的物理化学机制提供了新的线索。

本工作由中国科学技术大学生命学院博士研究生李思宇，杨帆，张勇及特任副研究员孙德猛等共同完成，田长麟教授，张隆华副教授，孙德猛特任副研究员指导本项工作，并作为本文的共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金，科技部重大研究计划，科学院先导专项等的经费支持。值得一提的是，本项工作还在评审期间，芝加哥大学Eduardo Perozo课题组5月27日在Nature发表了同一个蛋白的冷冻电镜结构，并揭示与本项工作类似的超极化激活机制 (https://doi.org/10.1038/s41586-020-2335-4)。本项工作经过评审后，于8月14日被国内杂志Cell Research接收，9月8日公开发布（https://www.nature.com/articles/s41422-020-00407-3#accession-codes）。

（生命科学与医学部、科研部）