雙孔鉀通道TREK-2門控機制研究.pdf

1、研究目的:
　　鉀通道為目前發(fā)現(xiàn)亞型最多、結(jié)構(gòu)與功能最為復(fù)雜的一類離子通道，因其選擇性通透鉀離子特性而得名。鉀通道廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，同時外周如骨骼肌、心臟、血管、氣管及腺體細胞等也有表達。生理功能上，鉀通道主要參與維持細胞膜電位，調(diào)節(jié)可興奮細胞的興奮性，以及平滑肌的舒縮等過程。
　　TREK-2（TWIK Reelated K+ channel2，又稱K2P10.1）為K2P家族成員之一，高表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，在外周神

2、經(jīng)系統(tǒng)和外周組織也有分布。在傳統(tǒng)鉀通道的離子電導(dǎo)通路上，從內(nèi)到外依次排列著內(nèi)門和外門，（又稱C-型門，或失活門）。離子通道調(diào)控的門控機制是指離子電導(dǎo)通路通過移動特定的門控元件，或變化空間構(gòu)象發(fā)生來實現(xiàn)對離子流入或流出的調(diào)控。
　　TREK-2的第二和第四跨膜片段同樣存在甘氨酸鉸鏈，但此甘氨酸鉸鏈是否在內(nèi)門活動中發(fā)揮功能？TREK-2通道中內(nèi)門和外門是否存在耦聯(lián)關(guān)系？TREK-2的C末端(Ct)是否影響門控機制及其可能的方式如何？T

3、REK-2的Nt是否影響其離子選擇器的構(gòu)象？本研究應(yīng)用TREK-2激動劑2-氨基乙基聯(lián)苯基硼酸酯(2-Aminoethoxydiphenyl borate，2-APB)、胞外酸(pHo)和Ba2+作為工具，結(jié)合分子生物學(xué)和雙電極電壓鉗技術(shù)，探討以上幾點未知問題，以期豐富TREK-2的門控機制理論。
　　研究方法:
　　(1)質(zhì)粒構(gòu)建，通道表達于非洲爪蟾卵母細胞中和雙電極電壓鉗記錄電流構(gòu)建可以在非洲爪蟾卵母細胞中高表達的pGH

4、-19-TREK-2和pGH-19-TREK-1重組質(zhì)粒。根據(jù)研究目的的不同，應(yīng)用PCR技術(shù)構(gòu)建一系列結(jié)構(gòu)不同的突變體、缺失體、嵌合體和串聯(lián)二聚體，其中串聯(lián)體的兩個亞基應(yīng)用一個可靈活變動的多肽連接，多肽氨基酸序列為AAAGSGGSGGSTGGSSGSSGS，以上各種突變體、缺失體、嵌合體和串聯(lián)體質(zhì)粒均經(jīng)過DNA測序，結(jié)果與數(shù)據(jù)庫比對以保證DNA序列正確。以上各種質(zhì)粒應(yīng)用XhoⅠ限制性內(nèi)切酶酶切線性化，然后體外轉(zhuǎn)錄成cRNA，cRNA顯微

5、注射至非洲爪蟾卵母細胞，培養(yǎng)1-3天后，應(yīng)用雙電極電壓鉗技術(shù)，將細胞膜電位鉗制在-80 mV，應(yīng)用Ramp模式從-120mV去極化至+60 mV，時間150 ms，記錄電流，觀察它們在生理鉀離子濃度(5mM)或者其他鉀離子濃度（0 mM、20 mM或40 mM）條件下，對胞外給予不同濃度的2-APB或Ba2+的反應(yīng)，以及它們對不同pH細胞外液的反應(yīng)。
　　研究結(jié)果:
　　一、TREK-2內(nèi)門對外門的調(diào)控作用
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6、2-APB激活TREK-2通道的機制研究
　　1)2-APB通過作用于TREK-2的C末端發(fā)揮其激活功能。
　　2)C末端近側(cè)區(qū)為2-APB與TREK-2相互作用所必需，而遠側(cè)區(qū)發(fā)揮負調(diào)控作用。
　　根據(jù)序列比對結(jié)果，TREK-1和TREK-2的Ct近側(cè)區(qū)(proximal Ct，pCt)相對保守，而遠側(cè)區(qū)(distal Ct，dCt)同源性較低。然而，缺失遠側(cè)區(qū)導(dǎo)致TREK-2對2-APB的敏感性顯著上調(diào)，表明pCt

7、為2-APB發(fā)揮功能所必需，而dCt則起著負性調(diào)節(jié)作用。
　　3)位于C末端近側(cè)區(qū)的368位組氨酸為2-APB的結(jié)合所必需。
　　為進一步尋找2-APB作用的關(guān)鍵氨基酸，我們將TREK-2 pCt區(qū)內(nèi)相對于TREK-1的非保守氨基酸（共7個）突變成TREK-1相應(yīng)的氨基酸，并檢測它們對2-APB的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有H368Y表現(xiàn)為敏感性下調(diào)，表明第368位組氨酸在2-APB開放TREK-2的過程中發(fā)揮了必不可少的作用。為

8、鑒定該氨基酸涉及2-APB的結(jié)合還是通道的門控過程（即門控的公共元件），我們檢測了H368Y對胞外pH值(pHo)變化的反應(yīng)。結(jié)果表明，該突變體的行為與野生型相似。已知pHo變化通過引發(fā)外門構(gòu)象變化調(diào)控通道活性，因此該氨基酸并不影響外門的功能，表明該氨基酸可能直接參與2-APB對TREK-2的結(jié)合。
　　4)2-APB通過促進TREK-2內(nèi)門開放發(fā)揮其激活通道功能。
　　通過改變胞外鉀離子濃度誘導(dǎo)TREK-2通道外門構(gòu)象發(fā)生

9、變化，并不影響2-APB的激活功能。另一方面，TREK-2的S4位點（第四個鉀離子結(jié)合位點，位于外門的最內(nèi)側(cè)）突變體T172S和T281S對2-APB的敏感性也與野生型的相似。這些結(jié)果說明改變TREK-2的外門構(gòu)象并不影響2-APB對TREK-2通道的開放，提示2-APB的作用與外門構(gòu)象無關(guān)。第四跨膜區(qū)(M4)的甘氨酸鉸鏈突變體(G312A)對2-APB的敏感性顯著下調(diào)，而M4為內(nèi)門的組成分，表明2-APB通過作用于內(nèi)門激活TREK-2

10、通道。
　　（二）TREK-2的門控機制特點探索
　　1)在甘氨酸鉸鏈水平，兩個亞基在TREK-2內(nèi)門開放過程中呈協(xié)同合作(cooperative)方式。
　　為鑒定組成成熟TREK-2通道的兩個亞基在2-APB誘導(dǎo)的內(nèi)門開放過程中呈獨立或者合作方式，我們構(gòu)建了含有所有可能甘氨酸鉸鏈突變組合的串聯(lián)二聚體（含有兩個M2甘氨酸鉸鏈突變的除外，因為沒有功能性通道表達），并檢測它們對2-APB的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單亞基突變體（

11、共6種）對2-APB的敏感性與野生型串聯(lián)分子(WT-WT)相似;雙亞基突變體（共5種）對2-APB的敏感性下調(diào)。這些結(jié)果表明在甘氨酸鉸鏈介導(dǎo)的內(nèi)門活動中，兩個亞基間并不是完全獨立的，野生型亞基可完全補償突變型亞基的功能，提示兩個亞基間存在相互協(xié)同合作的關(guān)系。
　　2)外門構(gòu)象的變化依賴甘氨酸鉸鏈的活動。
　　為確定外門構(gòu)象變化是否與甘氨酸鉸鏈活動相偶聯(lián)，我們檢測了上述甘氨酸突變體對pHo變化的反應(yīng)。結(jié)果表明，與對2-APB的

12、反應(yīng)極為相似:單亞基突變體對pHo的反應(yīng)與野生型相當(dāng);而雙亞基突變體中，除了G196A-G312A和G312A-G196A與野生型沒有明顯區(qū)別（對2-APB的反應(yīng)也只與野生型有輕微差別），其它的均表現(xiàn)為敏感性顯著下降。這些結(jié)果提示pHo引起的外門構(gòu)象變化過程中，甘氨酸鉸鏈介導(dǎo)的內(nèi)門活動控制著外門活動，同時亞基間仍然相互合作。
　　3)C末端近側(cè)區(qū)參與對離子選擇器構(gòu)象的調(diào)控。
　　根據(jù)以上結(jié)果，C末端近側(cè)區(qū)與2-APB對TRE

13、K-2的結(jié)合密切相關(guān)，由于該區(qū)段在其它鉀通道中通常為多種信號整合的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，我們也檢測了該區(qū)段在TREK-2其它門控模型中的可能調(diào)控作用。首先，該區(qū)段缺失體表現(xiàn)為對2-APB的敏感性顯著下調(diào)，與預(yù)期相符。另外，ΔpCt對pHo的敏感性也表現(xiàn)為顯著降低，提示C末端近側(cè)區(qū)也參與對離子選擇器構(gòu)象的調(diào)控，同時表明該區(qū)段為內(nèi)門和離子選擇器的公共調(diào)控元件。
　　4)C末端以亞基協(xié)同和順式的方式調(diào)控TREK-2的內(nèi)門和外門。
　　綜上所

14、述，C末端在TREK-2的整個門控機制中發(fā)揮了重要的作用，但其調(diào)控的模式未知。為解決這個問題，我們首先構(gòu)建了單亞基C末端缺失體（串聯(lián)二聚體WT-ΔCt和ΔCt-WT），并檢測它們對2-APB和pHo的反應(yīng)。結(jié)果表明，只保留一個亞基的C末端并不影響TREK-2對2-APB和pHo的敏感性，提示C末端對內(nèi)門和離子選擇器的調(diào)控為亞基協(xié)同方式。其次，進一步突變上述串聯(lián)二聚體中野生型分子的甘氨酸鉸鏈(ΔCt-G196AG312A)引起對2-APB

15、和pHo的敏感性顯著下調(diào)，表明位于不同亞基上的正常的C末端和甘氨酸鉸鏈的功能并不能相互補償，提示C末端調(diào)節(jié)內(nèi)門和離子選擇器的方式為順式機制。
　　5)內(nèi)門活動調(diào)控離子選擇器構(gòu)象的變化。
　　總結(jié)以上數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在涉及甘氨酸鉸鏈和C末端的突變體中，對2-APB不敏感的也表現(xiàn)為對pHo不敏感，反之亦然。既然甘氨酸鉸鏈和C末端近側(cè)區(qū)為控制內(nèi)門活動的關(guān)鍵元件，同時根據(jù)TREK-2的結(jié)構(gòu)特點，我們認為，在TREK-2的門控過程中，內(nèi)

16、門起主導(dǎo)作用，離子選擇器構(gòu)象變化完全受控于內(nèi)門。
　　二、選擇性翻譯起始(alternative translational initiation，ATI)產(chǎn)生的三個TREK-2亞型擁有相似的離子選擇器構(gòu)象
　　已知Ba2+為檢測離子選擇器構(gòu)象變化的有效工具。由于離子選擇器序列在大多數(shù)鉀通道中保守，我們檢測了TREK-2對Ba2+的敏感性。
　　研究結(jié)論:
　　(1)本研究以同源性較高的TREK-1和TREK-2

17、通道對2-APB的敏感相差懸殊為線索，對該化合物刺激TREK-2活性的機制以及TREK-2的門控特點進行了探討。首先，我們發(fā)現(xiàn)該化合物主要通過與位于C末端近側(cè)區(qū)的第368位組氨酸結(jié)合，并促進內(nèi)門的開放而發(fā)揮其激活活性。隨后，我們以2-APB和pHo分別作為研究內(nèi)門和外門活動的工具，發(fā)現(xiàn)甘氨酸鉸鏈和C末端（尤其是近側(cè)區(qū)）為控制內(nèi)門和離子選擇器活動的重要元件，通道的兩個亞基在門控過程中相互協(xié)同，而C末端和甘氨酸鉸鏈以順式方式（即位于同一個亞

18、基的兩種元件）相互調(diào)控。在TREK-2的門控過程中，內(nèi)門處于主導(dǎo)地位，外門構(gòu)象的變化完全依賴內(nèi)門的活動。
　　(2)Ba2+通過與鉀離子競爭結(jié)合于位于離子選擇器內(nèi)的第四個鉀離子結(jié)合位點而抑制TREK-2通道的開放。以Ba2+和pHo為工具，我們發(fā)現(xiàn)由選擇性翻譯起始機制產(chǎn)生的三種亞型擁有相似的離子選擇器構(gòu)象。
　　我們的研究進一步豐富了雙孔鉀通道的門控機制內(nèi)容，可為相關(guān)靶標的藥物設(shè)計與開發(fā)提供理論指導(dǎo)。同時，2-APB、Ba2