PIP2誘導打開內向整流鉀通道門控的分子機理的研究

《PIP2誘導打開內向整流鉀通道門控的分子機理的研究》是依託蘇州大學，由孟烜宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：PIP2誘導打開內向整流鉀通道門控的分子機理的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孟烜宇
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

內向整流鉀通道（Kir）依賴磷脂醯肌醇二磷酸（PIP2）維持其正常活性。PIP2和Kir的相互作用與通道門控機制密切相關，並涉及巴特綜合症等疾病。Kir-PIP2複合物晶體結構已知，然而，PIP2與通道結合後怎樣誘導通道開放的分子機制仍不明確。本項目擬通過分子動力學模擬的方法研究Kir2.2和Kir3.1嵌合體在PIP2誘導下從關閉到打開的分子機制。我們將分別從門控的關閉態和開放態結構出發，構建有PIP2和沒有PIP2的對照體系，著重分析在動力學過程中殘基相互作用網路的變化情況，由此提出PIP2誘導通道構象變化的機理，找出穩定關閉/開放態的門控的關鍵殘基相互作用。前期利用這種方法對Kir3.1嵌合體G-loop門控的研究給出了門控打開的詳細分子機制。我們將繼續探索這兩個通道其他門控的作用機制。Kir2是潛在藥物作用靶點。搞清楚PIP2對Kir2的門控機制對研發抗心律不齊藥物具有指導意義。

結題摘要

內向整流型鉀離子通道Kir依賴磷脂醯肌醇PIP2維持其正常活性。Kir與PIP2之間的相互作用涉及巴特爾綜合徵等離子通道疾病。近年來Kir離子通道晶體結構的獲得，十分有利於利用分子動力學模擬研究PIP2誘導Kir通道打開的分子機理。本項目著重探索PIP2誘導打開Kir G-loop門控和HBC門控的分子機制。我們從閉合G-loop+PIP2出發，誘導G-loop至半開放態，對比分析其與閉合態和開放態，發現開放態時，G-loop呈正方形，四個亞基界面為unlatched態（一個亞基的βM與相鄰亞基的N端成β片層）；閉合態時，G-loop呈長條狀，四個亞基界面為latched態（N端成loop，不與βM作用）。半開放態時，G-loop打開，亞基界面中有三個成unlatched態一個成latched態。通過殘基相互作用網路的變化和與PIP2成鹽橋情況，我們提出了PIP2誘導G-loop打開的分子機理：在沒有 PIP2 作用時，通道的 N端穩定非活性狀態的CD-loop，CD-loop與G-loop的聯繫較為鬆散，閉合的G-loop構象由保守鹽橋E304-R313所穩定；PIP2出現後首先定位 N端，減弱N端與CD-loop的作用，同時使G-loop直接與N端發生聯繫；之後CD-loop發生構象變化，遠離N端，加強與G-loop的聯繫，破壞G-loop與N端的作用，G-loop 由閉合轉向打開，此時N端失去了與CD-loop和G-loop的作用，轉而與βM形成β片層從而被穩定。CD-loop上的正電殘基被 PIP2 吸引，從而進一步穩定了活性狀態下的CD-loop處於打開狀態的G-loop構象。我們引入了突變M170P幫助HBC門控打開。HBC的打開是由跨膜螺旋TM1和TM2的逆時針旋轉以及TM2在G169位置彎折的共同作用。HBC的打開需要PIP2的存在以及G-loop的先行開放，兩者缺一不可。HBC開放態時孔徑直徑6Å，閉合態3Å。估算的HBC門控開放的自由能差為1.4kcal/mol. HBC和G-loop同時開放的情況下，我們觀測到了鉀離子由胞外流入胞內的過程。我們找出了影響門控打開的關鍵因素，獲得開放態的Kir通道模型，以及從閉合到開放的動力學過程，有助於理解一些離子通道疾病的治病突變的分子機制。此外，也嘗試探索了一套基於分子動力學模擬的分析蛋白質別構效應的方法。