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【时间】 2023年8月30日 Cell最新发布
2023年8月30日，日本东京大学Hideaki E. Kato团队在著名的Cell期刊以“Structural basis for ion selectivity in potassium-selective channelrhodopsins”为题在线发表研究论文，该研究发现，钾离子选择性通道视紫红质(HcKCR1/2)通过不对称选择性门和通道内不同的脱水途径起作用，基于该结构，开发了具有增加的钾离子选择性的 KCR 变体。
运动生物利用视紫红质家族的蛋白质来感知光，并将其作为能量来源和环境信号。视紫红质分为微生物和动物类型，它们都包含一个七螺旋跨膜结构域与发色团共同结合。当光被吸收时，微生物视紫红质会发生视网膜异构化，从而产生不同的离子泵、离子通道、传感器和酶功能。这些蛋白质的表达能够控制动物体内特定细胞的膜电位，并通过精确的光和基因传递相结合，实现高时空分辨率的控制。这种实验方法被称为光遗传学，已经应用于神经电路和生物生理学的研究以及人类疾病的治疗。 在光遗传学中，最初使用的是来自叶绿体藻类的阳离子通道视紫红质，通过光刺激神经元。随后，人们设计或发现了许多具有独特性质的变异体，扩大了光遗传学工具的应用范围。除了阳离子通道视紫红质外，还发现了阴离子通道视紫红质，可以实现更有效的抑制作用。然而，其中一些阴离子通道视紫红质的应用变得复杂，因为氯离子浓度梯度的发育或解剖变异可能导致意外的神经元兴奋。 为了解决这个问题，研究人员开始考虑产生钾离子选择性的通道视紫红质，以实现神经元的沉默。然而，先前已知的钾离子通道与通道视紫红质没有相似性。最近，在隐生植物藻类和海洋宏基因组数据集中发现了第三类通道视紫红质，称为泵样通道视紫红质。这些通道视紫红质在序列上与泵型视紫红质更加相似，但具有独特的通道功能。例如，泵样通道视紫红质显示出极高的光电流、高的光敏感性和红移动作光谱。其中一些通道视紫红质对单价离子具有选择性。 此外，还发现了两种微生物视紫红质，它们是光门控的钾选择性通道。这些通道与之前发现的泵样通道视紫红质有同源性，但具有更高的钾/钠渗透率。因此，这些通道视紫红质有望成为抑制性光遗传学工具。 然而，目前对于通道视紫红质中钾选择性机制的了解还很有限，因此深入研究将对我们理解离子通道蛋白如何实现钾选择性具有重要意义，并为基于钾选择性通道视紫红质的新一代光遗传学工具的开发提供帮助。 在本研究中，科研人员提出了一种具有增强K+选择性的结构引导突变体hcKCR1和hcKCR2的冷冻电子显微结构，分辨率在2.5-2.7Å之间。通过结构、电生理、计算、光谱和生物化学分析的综合研究，科研人员揭示了这种K+选择性的独特机制。 与形成经典K+通道的对称过滤器不同，hcKCR1和hcKCR2内部的三个细胞外前庭残基形成了灵活的不对称选择性门，而不同的脱水途径延伸到细胞内。这种不对称选择性门的形成实现了K+离子的选择性传输。 通过比较不同结构，研究人员还揭示了视网膜结合口袋的旋转机制，并提出了相应的KCR变体(KALI-1/KALI-2)来增加K+选择性。这些设计具有体外和体内光遗传抑制的关键优势，为下一代光遗传学提供了重要的框架。 这项研究的发现不仅揭示了K+离子通道选择性机制的新机理，还为开发更高效的光遗传学工具提供了重要指导。进一步的探索和应用这些科研成果将会快速推动光遗传学领域的发展。 |
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