Vita | 深圳医学科学院黄健/范潇团队揭示人源M通道组装与调控新机制

癫痫是神经系统最常见的疾病之一，其背后往往与神经元电活动异常密切相关。近日，深圳医学科学院（SMART）黄健、范潇联合团队在《Vita》期刊发表论文，首次高分辨率解析了人源M通道的异源组装结构，揭示了其由KCNQ2和KCNQ3亚基以非对称3:1和交错2:2两种比例组装的分子基础，并阐明了两种不同抗癫痫药物——ICA‑110381和XEN1101——如何通过各自独特的方式激活通道。这一发现为理解癫痫相关突变和设计下一代精准靶向药物提供了关键结构蓝图。

尽管M通道在生理和病理上都极为关键，但其由不同亚基组成的异源复合物的三维结构，尤其是KCNQ2和KCNQ3如何组装、通道如何被调控，一直不清楚。这项研究利用高分辨率的冷冻电镜技术，成功解析了人源M通道在未结合药物状态以及结合两种不同激活剂状态下的三维结构，分辨率达到了2.4到3.0埃，精度非常高。

首先，他们在结构上有一个非常重要的发现：M通道并不是以固定的亚基比例存在。在实验中，他们观察到两种主要的组装形式。一种是占主导地位的非对称结构，由三个KCNQ2亚基和一个KCNQ3亚基组成，比例是3:1，大约占84%。另一种是较少见的交错式2:2结构，即两个KCNQ2和两个KCNQ3交替排列，约占16%。这两种组装方式在不同的实验条件下都能稳定观察到，说明M通道在生理状态下可能就存在这种组成上的异质性。有意思的是，他们通过电生理实验发现，虽然亚基比例不同，但这些不同组装方式的通道都能产生比KCNQ2或KCNQ3单独形成的同源通道大得多的电流，这解释了为什么异源M通道在神经元中功能更强。

接着，他们分析了KCNQ2和KCNQ3在结构上的差异。一个关键的发现是，KCNQ3的电压感受结构域处于一种更激活的“向上”状态，而KCNQ2的则不是。此外，在通道的离子选择性过滤器附近，KCNQ3有一个独特的丙氨酸残基，而其他KCNQ家族成员包括KCNQ2，在这个位置都是苏氨酸。通过功能实验，他们证明KCNQ3这种独特的结构特征，特别是其电压感受域的预激活状态，是M通道能够在较低电压下就被激活的主要原因。也就是说，KCNQ3更像是一个“调压器”，而KCNQ2则可能更多地参与通道的导电和药物响应。

在药物调控机制方面，他们研究了两种很有代表性的M通道激活剂。第一种是ICA-110381，它被设计成KCNQ2特异性的激活剂。结构分析清晰地显示，ICA-110381只结合在KCNQ2亚基的电压感受结构域中的一个疏水口袋里，而在KCNQ3的对应位置没有密度。通过突变实验，他们找到了关键的结合位点，比如KCNQ2上的苯丙氨酸168，这个残基与药物形成π-π堆积作用，对选择性结合至关重要。当把这个位点突变成亮氨酸后，药物就基本失效了。这揭示了ICA-110381高选择性的分子基础。药物结合后，会稳定住KCNQ2电压感受结构域的“向上”激活构象，从而促进通道打开。

第二种药物是XEN1101，这是一种正在进行临床三期试验的新型抗癫痫药物，是已退市药物瑞替加滨的改进版。与ICA-110381不同，XEN1101并不区分亚基，它结合在所有四个亚基围绕中央孔区形成的侧向“窗口”或“裂隙”中。每个结合位点都由相邻亚基的跨膜螺旋共同构成。他们发现，无论结合位点两侧是KCNQ2还是KCNQ3，结合模式都非常保守，主要通过疏水作用和氢键来稳定。

最有意思的是，XEN1101的结合不仅直接稳定了孔区，还触发了一个动态的、协同的门控过程。在未结合药物的静息状态结构中，他们观察到KCNQ2亚基的电压感受域和孔区之间有一些未知的脂质样密度，像是“塞子”。当XEN1101结合到孔区裂隙后，它会挤走其中一个“塞子”，并引发KCNQ2亚基的电压感受域发生顺时针方向（从胞外看）的逐步旋转。他们捕获了从0个、1个、2个到3个电压感受域全部旋转的多个中间状态。这种旋转会创造出一个新的、适合结合另一种关键膜脂——磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（简称PIP2）的口袋。PIP2是M通道打开所必需的内源性辅因子，它像一个“分子胶水”，结合后能够加强电压感受域和孔区之间的连接，最终推动孔区的螺旋发生外展，使通道完全打开。这个逐步激活、协同工作的机制，很好地解释了为何XEN1101能如此高效地激活M通道。

最后，他们还把已知的致病突变映射到新解析的结构上。结果显示，很多引起癫痫的突变都集中在几个关键区域，比如离子选择性过滤器、电压感受结构域上的门控电荷残基，以及他们刚刚发现的、参与PIP2结合的界面残基。这为理解这些突变如何导致通道功能丧失、引发疾病提供了直接的结构解释。

深圳医学科学院特聘研究员黄健、范潇为第二篇论文的共同通讯作者。深圳医学科学院-西湖大学联培博士生陆方舟、深圳医学科学院副研究员黄晓爽和电生理平台工程师蔡冠星为该论文共同第一作者。黄健课题组研究助理谢雨蓁、博士生沈相龙、黄沛、于非凡也为本研究作出重要贡献。该研究获得深圳医学科学院生物结构解析平台与生医药数据中心的大力支持，并得到深圳医学科学院、国家自然科学基金以及广东省珠江人才计划等项目资助。

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