胆固醇浓度如何影响细胞膜上受体 - 配体相互作用？—— 以 ATP 敏感性钾通道（KATP?）与 ATP 结合为例

《The Journal of Membrane Biology》：Cholesterol Concentration in Cell Membranes and its Impact on Receptor–Ligand Interaction: A Computational Study of ATP-Sensitive Potassium Channels and ATP Binding

在代谢综合征和早期 2 型糖尿病研究中，为探究细胞膜胆固醇含量对KATP?通道与 ATP 相互作用的影响，研究人员开展计算研究。结果表明胆固醇浓度增加影响二者静电作用，改变亲和力，KATP?通道对 ATP 亲和力增加可致高胰岛素血症，为相关疾病研究提供新视角。

　　在人体的微观世界里，胰腺 β 细胞中的 ATP 敏感性钾通道（KATP?）就像一个精密的 “开关”，它的开合与细胞的代谢、电活动以及胰岛素的分泌紧密相连。正常情况下，当细胞内的 ATP 水平因葡萄糖刺激而升高时，KATP?通道关闭，细胞膜去极化，一系列反应促使胰岛素分泌，从而调节血糖水平。然而，肥胖、代谢综合征等疾病的出现打破了这种平衡。这些病症常伴随着血液中胆固醇水平的升高，胆固醇作为细胞膜的重要组成部分，其含量的变化会影响细胞膜的物理性质，进而影响膜蛋白的功能，KATP?通道也不例外。但目前，胆固醇究竟如何影响KATP?通道与 ATP 的相互作用，以及这种影响与代谢综合征和早期 2 型糖尿病中高胰岛素血症的关系尚不明确。

为了解开这些谜团，来自墨西哥的研究人员开展了一项关于 “胆固醇浓度在细胞膜中的作用及其对受体 - 配体相互作用的影响：ATP 敏感性钾通道（KATP?）与 ATP 结合的计算研究”。研究人员利用计算机模拟、结合自由能计算等方法，深入探究了不同胆固醇浓度（0%、25% 和 50%）下KATP?通道与 ATP 的相互作用，以及这种相互作用对胰腺 β 细胞电活动和胰岛素分泌的影响。该研究成果发表在《The Journal of Membrane Biology》上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是分子动力学模拟，将大鼠胰腺的 Kir6.2（KATP?通道的主要组成部分）与 ATP 结合或不结合的状态，嵌入不同胆固醇浓度的 1,2 - 二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）膜中进行模拟，观察通道的动态变化；二是结合自由能计算，通过特定的计算方法和软件，分析不同胆固醇浓度下 ATP 与 Kir6.2 之间结合自由能的变化，从而评估二者的结合亲和力；三是利用集成振荡模型（IOM）模拟胰腺 β 细胞的功能，通过改变KATP?通道对 ATP 的亲和力，观察细胞电活动和胰岛素分泌的变化。

研究结果如下：

• 分子动力学模拟：通过对 Kir6.2（有无 ATP）在不同胆固醇浓度下的分子动力学模拟发现，系统达到稳定的时间随胆固醇浓度变化而不同。0% 胆固醇的系统约 50ns 达到稳定，而 25% 和 50% 胆固醇的系统约 20ns 达到稳定，这表明胆固醇可稳定通道周围的膜环境，进而影响通道行为。
• 结合自由能计算：分析不同胆固醇浓度下 ATP 与 Kir6.2 结合自由能的静电和非静电贡献，发现 0% 胆固醇时静电相互作用最强，结合更有利；25% 和 50% 胆固醇时静电相互作用减弱。结合自由能（ΔGb?）在 25% 胆固醇时升高，50% 胆固醇时降低，这种变化趋势与膜刚度等因素相关。
• KATP?通道对 ATP 亲和力增加的影响：基于分子模拟结果，在 IOM 模型中降低KATP?通道与 ATP 结合的解离常数，模拟KATP?通道对 ATP 亲和力增加的情况。结果显示，亲和力增加导致KATP?通道开放概率降低，细胞电活动持续增加，细胞内钙振荡消失，胰岛素持续分泌，而非正常情况下的脉冲式分泌。

综合研究结果，胆固醇浓度的变化会显著影响细胞膜中KATP?通道与 ATP 的相互作用。随着胆固醇浓度的增加，KATP?通道与 ATP 的亲和力增强，这一变化通过影响胰腺 β 细胞的电活动，最终导致胰岛素分泌模式改变，出现高胰岛素血症。这一发现为理解代谢综合征和早期 2 型糖尿病中胰岛素分泌异常的机制提供了重要线索，有助于深入探究相关疾病的发病机制，为开发新的治疗策略提供理论依据。同时，研究也指出未来还需进一步研究胆固醇对其他参与胰腺 β 细胞电活动的离子通道的影响，并开展相关的验证实验，以更全面地揭示胆固醇在代谢性疾病中的作用机制。