PNAS：钾离子通道调控的新机制

　　

　2023年1月6日，《PNAS》期刊在线发表了题为《DNA topoisomerase 2-associated proteins PATL1 and PATL2 regulate the biogenesis of hERG K+ channels》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）蔡时青研究组完成。研究人员利用秀丽隐杆线虫的遗传学优势，通过正向遗传学筛选鉴定hERG通道生成（Biogenesis）的调控因子，发现DNA拓扑异构酶2相关蛋白PATL1和PATL2调控hERG通道基因的转录。

　　人类 ether-a-go-go相关基因（human ether-a-go-go related gene）编码一种内向整流电压门控型的钾离子通道（简称hERG），该通道分布较为广泛，在心脏和神经系统中发挥着重要的生理功能。hERG通道的生成过程，包括转录、转录后、翻译和翻译后修饰等过程都受到精确调控，如果这些调控机制出现偏差，导致细胞膜上的hERG通道过多或过少都会导致一些严重的人类疾病，例如2型长QT综合征、精神分裂症和癌症等。因此，解析hERG通道生物生成的分子机制可以为理解与hERG通道功能障碍相关的人类疾病的病理学提供新的线索。

　　线虫的UNC-103钾通道与hERG通道高度同源，参与调控线虫的运动和产卵等行为。研究人员利用表达UNC-103的线虫进行正向遗传学筛选，发现线虫DNA拓扑异构酶2相关蛋白PATR-1调控UNC-103通道生成。

 

　　图1. A，筛选UNC-103通道生成调控基因的策略。B，线虫DNA拓扑异构酶2相关--蛋白PATR-1调控UNC-103通道生成。 

　　随后，研究人员探究了人源DNA拓扑异构酶2相关蛋白（PATL1和PATL2）是否调控hERG通道的功能。在人神经母细胞瘤细胞和人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）中，利用小干扰RNA下调PATL1和PATL2功能显著降低了内源hERG通道蛋白的表达水平和钾电流密度（图2A和B）。下调PATL1和PATL2表达还延长了hiPSC-CMs动作电位的时程，提示PATL1和PATL2可能影响心肌细胞的电生理特征（图2C）。通过双荧光素酶报告基因检测系统分析，发现PATL1和PATL2影响hERG mRNA的合成（图3）。

　　图2. 人类DNA拓扑异构酶2相关蛋白调控hERG通道生成。 

　　图3. 人类的DNA拓扑异构酶2相关蛋白影响hERG通道mRNA的转录。 

 

　　一般认为PATL1和PATL2作为脱帽激活因子促进mRNA降解以及作为翻译抑制子抑制翻译，而该研究发现人类的DNA拓扑异构酶2相关蛋白PATL1和PATL2是新的hERG通道生成调控因子，调控hERG通道基因的转录，揭示了其调控基因表达的新机制，扩宽了对在转录水平调控hERG通道生成的理解。

　　该研究工作在中科院脑智卓越中心蔡时青研究员的指导下,主要由博士后尧丽完成，中科院脑智卓越中心的博士研究生叶士伟和研究助理阮美煜对课题做出了重要贡献。该研究得到了中科院脑智卓越中心分子细胞技术平台和光学成像平台的大力支持，得到了科技部、中国科学院、国家自然基金委员会和上海市的资助。