Nature Commun | 施一公院士团队揭示多囊肾病相关离子通道的脂质变构调控机制

常染色体显性多囊肾病是最常见的单基因遗传病之一，每千人中至少有一人患病，肾脏中不断增大的囊肿最终会导致功能衰竭。这种病的根源在于PKD1和PKD2基因的突变，它们分别编码多囊蛋白PC1和PC2，两者组装成一个定位在初级纤毛上的阳离子通道复合物。2026年7月8日，西湖大学施一公院士、深圳医学科学院宿强团队以及美国St. John's大学Yong Yu教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Structural basis of lipid-dependent allosteric gating mechanisms for PC1-PC2 ion channel”的论文。他们利用冷冻电镜技术解析了这个通道在野生型和功能获得性突变体中的十种高分辨率构象，并发现了特定膜脂分子通过变构效应调控通道开闭的全新机制。

要拿到高分辨率的PC1-PC2复合物结构并不容易，因为它在细胞中的表达量极低。研究团队把启动子换成了转录效率更高的CAM启动子，在5′非翻译区加了增强翻译的元件，还引入了WPRE和TAR/tat系统来减少转录通读并提高转录水平。经过这一系列改造，最终每升细胞培养物能纯化出大约500微克的蛋白复合物，比之前的方法整整提高了一百倍。有了足量的高质量蛋白样品，他们顺利解析了野生型通道的三种构象，分辨率最高达到2.3埃。在这三种构象里，有两种（WT-Class I和II）的中央孔道里都卡着脂质分子，经过密度特征和电荷分布的分析，他们把这些脂质指认为磷脂酰甘油（PG）和磷脂酸（PA）。PG的磷酸基团和甘油羟基与PC1亚基上Arg4094的侧链形成了两对氢键，另一个羟基则和PC2亚基的Ile640主链羰基之间有氢键作用，同时Trp4096和Phe669通过范德华力协助固定住PG。PA的结合方式不太一样，它的磷酸基团主要靠PC2的Asn674拉住，尾部则由Trp4096和Leu4095通过疏水作用稳定下来。这两种脂质就像塞子一样堵在离子穿行的路径上，把通道锁死在失活状态。而在第三种构象（WT-Class III）里面，脂质密度消失了，同时PC2的第三个亚基上的TOPIII和VSDIII结构域发生了大约30度的旋转，孔道虽然空出来了，但最窄处的半径仍然小于脱水钠离子的半径，也就是说通道还没有真正打开。

为了验证脂质堵塞确实会抑制通道活性，研究团队在磷脂结合口袋的关键位置引入了点突变。他们把PC1上参与结合脂质的Arg4094、Leu4095、Trp4096和Arg4100分别换成了带负电的天冬氨酸，这样改造之后，带负电的残基会排斥同样带负电的脂质头部，脂质就没办法在孔道里待住了。这些突变体在非洲爪蟾卵母细胞中表达后，记录到的向内和向外离子电流都显著增强，呈现出明显的功能获得性表型。相比之下，远离结合位点的两个对照突变C4087D和W4091D几乎看不到电流增强，和野生型以及未注射的卵母细胞没什么差别。这些电生理数据很好地印证了脂质分子堵塞孔道是通道保持静息状态的关键原因。

他们接下来把目光转向了已经报道过的功能获得性突变体AA-通道，这个突变体在PC2的S6段带有L677A和N681A两个氨基酸替换。冷冻电镜分析显示AA-通道存在四种不同的构象，从AA-Class I到Class IV，TOPIII结构域依次旋转了大约15度、60度和120度，呈现出一个清晰的逐步运动轨迹。VSDIII也跟着一起转动，到了Class IV的时候旋转幅度已经接近120度，并且靠近了PC1的VSD结构域。与此同时，孔道的半径逐步扩大，在Class IV中最窄处达到了1.7埃，这个尺寸足够让部分水合的阳离子通过了。研究团队还针对构成收缩位点2的关键残基做了突变实验，把PC2的Asn674换成丙氨酸或半胱氨酸后，通道对多种阳离子的通透性相对于NMDG+的比值都明显下降了，而换成天冬氨酸则影响较小。PC1上的Arg4100突变也有类似但幅度更温和的效果，这可能是因为复合物里只有一个PC1亚基却有三个PC2亚基。

纤毛膜上富集着一种特殊的氧化固醇分子7β,27-二羟基胆固醇，之前的报道说它能增强PC1-PC2通道的活性。研究团队在纯化蛋白的时候加入了这种分子，然后解析了三种结合状态下的结构。在其中一种构象（WT-Class IV）里，他们看到了一个胆固醇样的小分子密度，这个密度位于PC2第三个亚基的S1和S4片段、PC1的S5和S6片段以及PC2的S4-S5接头和S6共同围成的空腔中。7β,27-DHC的结合使S4-S5接头发生了大约4埃的侧向移动，S6也跟着朝旋转轴方向挪动了约2埃，这些变化传递到了孔道的收缩位点4，让Arg4107和Asn681的侧链重新排列，孔道半径从0.6埃扩大到了约2埃。不过收缩位点2的半径依然小于钠离子的脱水半径，所以这个构象实际上还是非导电的。液相色谱-串联质谱的定量分析确认了7β,27-DHC确实能结合到这个空腔里，因为把结合口袋的关键残基G4028或E4025突变成体积更大或带正电的残基后，结合量显著减少了。

综合所有这些结构信息和电生理数据，研究团队提出了一个“门闩与楔子”的变构门控模型。在普通膜环境中，PG或PA作为“门闩”堵住孔道让通道失活，当这些脂质解离后TOPIII和VSDIII发生旋转，通道进入预开放状态；而在纤毛膜上，7β,27-DHC像一个“楔子”插到特定空腔里，进一步稳定了更为开放的构象。这项研究不仅为理解多囊蛋白复合物的生理功能提供了精细的结构蓝图，也为未来针对ADPKD的药物设计指出了新的靶点方向。

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