冷冻电镜解析人 THIK-1 钾离子通道结构：解锁脂质与麻醉剂调控新机制

为探究 THIK-1 通道结构与功能，牛津大学等机构研究人员解析其冷冻电镜结构，揭示调控位点，为药物研发提供依据。

　　在人体这个复杂精妙的 “小宇宙” 里，细胞如同一个个忙碌的 “小工厂”，而离子通道则是 “小工厂” 里不可或缺的 “运输管道”，负责维持细胞内外离子的平衡，保障细胞正常 “运转”。其中，钾离子通道在调节细胞的电活动、控制神经信号传递等方面发挥着关键作用。THIK-1（KCNK13）作为钾离子通道家族中一种特殊的两孔结构域（K2P）钾离子通道，更是与大脑的健康息息相关。它广泛分布于中枢神经系统，在微胶质细胞（大脑的固有免疫细胞）中尤为活跃，犹如大脑的 “忠诚卫士”，在保护大脑免受损伤、抵御病原体入侵时发挥着重要作用。

然而，当微胶质细胞被异常激活时，就会引发神经炎症，如同大脑内的 “战火” 蔓延，成为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症等）的重要诱因。THIK-1 通道在微胶质细胞激活过程中，对促炎细胞因子的释放起着关键调控作用，就像一个 “阀门”，控制着炎症反应的 “流量”。在神经退行性疾病患者和动物模型中，THIK-1 通道的编码基因 KCNK13 表达异常升高，成为了疾病进展的 “帮凶”。因此，精准调控 THIK-1 通道的功能，有望成为治疗这些神经退行性疾病的 “金钥匙”，这也使得 THIK-1 成为极具潜力的药物靶点。

令人遗憾的是，与其他 K2P 通道相比，THIK-1 通道就像一个神秘的 “黑匣子”，其结构和功能特性一直笼罩在迷雾之中。虽然此前已发现它能被 G_io和 G_q偶联受体途径短暂激活，也能被阴离子脂质直接激活，但这些调控背后的详细机制，以及它独特的生物物理特性，仍然是未解之谜。这就如同在黑暗中摸索，找不到打开 “黑匣子” 的正确方法，极大地限制了基于 THIK-1 通道的药物研发进程。

为了揭开 THIK-1 通道的神秘面纱，来自英国牛津大学的 Karin E. J. R?dstr?m、Bisher Eymsh、Peter Proks 等研究人员组成的科研团队，踏上了探索之旅。他们结合冷冻电镜（cryo-EM）技术和详细的功能分析，对 THIK-1 通道展开了深入研究。相关研究成果为理解 THIK-1 通道的功能、开发调节微胶质细胞功能的药物提供了重要依据，有望为神经退行性疾病的治疗开辟新的道路。

研究人员在实验过程中运用了多种先进技术。其中，冷冻电镜技术发挥了关键作用，它能让研究人员在接近生理状态下，“看清” THIK-1 通道的三维结构，就像给这个神秘的 “运输管道” 拍了一张高清照片。同时，他们采用定点突变技术对 THIK-1 通道进行改造，通过改变特定氨基酸残基，研究其对通道功能的影响，如同在精密的机器上微调零件，观察机器运转的变化。此外，电生理测量技术也是重要的研究手段，它能精确记录通道的电流变化，从而评估通道的活性和功能，为研究提供了量化的数据支持。

下面来具体看看研究结果：

• THIK-1 的独特结构特征：研究人员通过冷冻电镜解析出分辨率为 3.16 ? 的人 THIK-1 结构。THIK-1 通道整体呈结构域交换的同源二聚体，每个亚基包含四个跨膜螺旋（M1 - M4）、两个孔螺旋（PH1 和 PH2）、两个选择性过滤器（SF）基序（SF1 和 SF2）以及两个细胞外帽形成螺旋（CH1 和 CH2）。与其他 K2P 通道相比，它有一些独特之处，比如在顶端缺少形成链间二硫键的半胱氨酸，细胞内 M2 - M3 环更长且未被解析。同时，还发现了一些新的结构特征，如由 M2 和 M4 螺旋上的残基相互作用形成的较低收缩部位，即 “Y 门”（Y gate）；细胞外帽结构域带有大量正电荷残基，形成了离子出口路径；在与 SF 相邻的 K2P 调节口袋中还结合了单链脂质123。
• “Y 门” 的功能与调控：“Y 门” 由 M4 螺旋上的酪氨酸（Y273）和 M2 螺旋上的 I139 相互作用形成，在关闭状态下完全阻塞离子通透路径。研究人员通过对 Y273 和 I139 进行突变研究，发现突变体的全细胞钾离子电流显著增加，单通道电导也发生变化，这表明这些残基对控制通道活性至关重要。进一步研究发现，“Y 门” 可被脂质和 G 蛋白偶联受体激活。阴离子脂质（如 PI (4,5) P₂和油酰辅酶 A）激活 THIK-1 后，会使 “Y 门” 打开，显著增加对细胞内应用的四戊基铵（TPenA）的敏感性，改变 TPenA 抑制的动力学和效力。此外，G_q偶联受体途径（如人毒蕈碱受体 hM1 - R 激活）也能通过 “Y 门” 调节 THIK-1 通道活性。而且，THIK-1 通道参与凋亡过程，caspase-8 对其羧基末端的切割会导致 “Y 门” 打开，增加通道活性。这些结果表明，“Y 门” 整合了多种生理相关信号，是调节 THIK-1 通道活性的关键位点456。
• 卤代烷的抑制机制：THIK-1 对挥发性麻醉剂卤代烷敏感，但其结合位点和抑制机制一直未知。研究人员通过实验发现，卤代烷的抑制作用与 TPenA 存在竞争关系，暗示卤代烷可能结合在通道内的腔中。通过分子对接和突变研究，确定了卤代烷在通道内的潜在结合位点，位于 M2 上的 F142、M4 上的 Y273 和 SF2 中的 T237 之间。突变该位点的残基会影响卤代烷以及结构相关的异氟烷和七氟烷的抑制作用。进一步研究发现，脂质激活 “Y 门” 会减少卤代烷和异氟烷的抑制作用，而卤代烷预抑制会降低油酰辅酶 A 对 THIK-1 通道的激活程度。这表明卤代烷结合在通道内的腔中，可动态调节 “Y 门” 的开闭，但卤代烷对 SF 门的额外影响也不能排除789。
• 细胞外离子出口路径的作用：THIK-1 通道的细胞外帽结构域导致钾离子的出口路径分叉。结构分析发现，该区域存在大量带正电荷的精氨酸残基，如 R83 和 R87，它们位于过滤器上方，可能影响钾离子通过过滤器的渗透和细胞外的出口路径。对这些残基进行电荷反转突变研究发现，THIK-1 - R87D 突变体的全细胞电流显著增加，单通道电导在正负电压下都明显增大，且其开放概率（P_o）在正膜电位下具有陡峭的电压依赖性，表现出内向整流特性。这表明 R87 位点的负电荷不仅促进钾离子外流，还能通过稳定 SF 的开放构象促进通道开放101112。
• K2P 调节口袋中的脂质：在 THIK-1 通道的 K2P 调节口袋中发现了与脂肪酸密度一致的物质，经分析认为可能是亚油酸（linoleic acid）。亚油酸结合在口袋中，与 R92、R258 和 M4 上的 F262 等残基相互作用。有趣的是，亚油酸直接激活 THIK-1，且口袋中残基的突变会降低亚油酸激活的程度和亲和力，但不影响油酰辅酶 A 或 PI (4,5) P₂的激活作用。不过，亚油酸在该位点的动态调节是否具有生理相关性，以及紧密结合的多不饱和脂肪酸（PUFA）是否只是维持 THIK-1 的基础活性，仍有待进一步研究1314。

总的来说，这项研究通过冷冻电镜技术解析了人 THIK-1 通道的高分辨率结构，揭示了其独特的结构特征和功能调控机制。研究发现的 “Y 门” 以及脂质、麻醉剂对其调控的机制，为理解 THIK-1 通道在生理和病理过程中的作用提供了重要线索。同时，研究还明确了细胞外离子出口路径和 K2P 调节口袋中脂质的作用，这些结果为优化 THIK-1 抑制剂和开发潜在的激活剂提供了结构框架，有助于推动针对微胶质细胞功能调节的药物研发，为神经退行性疾病的治疗带来新的希望。该研究成果发表在《Nature Structural & Molecular Biology》期刊上，为相关领域的研究开辟了新的方向，后续研究可进一步深入探索 THIK-1 通道与其他蛋白的相互作用，以及其在不同疾病状态下的功能变化，为精准治疗神经退行性疾病奠定更坚实的基础。