Cell|挑戰傳統離子通道分類:K+通道輔助亞單位KCNE1新功能

2021-01-15 BioArt生物藝術

撰文 | 十一月

責編 | 兮

想要對人類病理生理學的基因變異進行研究，首先要確定蛋白質複合物的亞單位組成的特異性。K+電壓門控離子通道蛋白的孔形成亞基KCNQ1屬於鉀離子通道超家族，與其β輔助亞基KCNE1聯合產生緩慢的心臟鉀離子電流，K+離子通道功能障礙會導致心率失常。一直以來，KCNE1的功能都被認為是只與K+通道相關，但是否的確如此呢？

為了進一步揭開KCNE1的功能，2020年12月28日，法國Universite Cote d』Azur大學Guillaume Sandoz研究組發文題為KCNE1 is an auxiliary subunit of two distinct ion channel superfamilies，發現了KCNE1不只作為K+離子通道，還可以作為氯離子通道的新證據。

KCNE1是一個只有129個胺基酸的蛋白，具有一個短的疏水跨膜結構域【1】。當注射進入爪蟾卵細胞中時，KCNE1會產生緩慢激活的K+離子電流【1】。所以一直以來，KCNE1被認為可以編碼K+離子通道的最小蛋白。但是在一些哺乳動物細胞系中，單獨表達KCNE1並不能引發電流的產生【2】。這一謎題一直到KCNQ1 K+離子通道被發現才被揭開【3,4】。KCNE1本身並不具有離子通道活性，因此是作為輔助β亞基發揮作用的。除了會引發K+離子電流，KCNE1 cDNA的注射還曾經被發現會引起Cl-離子電流【5】，但是具體的分子機制並不清楚。Ca2+激活的Cl-離子通道（Ca2+-activated Cl-channels，CaCCs）蛋白家族中TMEM16A被證明是具有完整功能的CaCCs，也是該家族首個被克隆出來的成員【6-8】。但是目前為止，TMEM16A作為爪蟾卵細胞中主要的Cl-通道蛋白，但是該通道蛋白的輔助β亞基還未被鑑定出來。由於KCNE1在爪蟾卵細胞中的高表達以及對Cl-離子電流的引發作用，作者們想知道KCNE1是否與TMEM16A之間存在聯繫。

為了揭開這一問題的答案，作者們首先在內源不表達KCNE1以及TMEM16A的細胞中對KCNE1與TMEM16A進行了共表達，發現這兩種蛋白質的共表達會誘導電壓依賴性電流的產生（圖1）。而且作者們驚奇地發現，在加入Ca2+離子螯合劑後，並不會影響TMEM16A-KCNE1複合物引發的電壓依賴性電流。該結果說明KCNE1將TMEM16A從一個鈣離子依賴的離子通道變成了一個電壓依賴的Cl-離子通道。

圖1 KCNE1與TMEM16A共表達引發電流產生

那麼KCNE1對於TMEM16A的調節作用是如何實現的呢？作者們對兩蛋白之間的相互作用進行了檢測。通過單分子pull-down實驗（SiMPull assay【9】），作者們發現KCNE1與TMEM16A之間存在相互作用，而且相互作用的比例是2α：2β的化學計量。另外，通多對KCNE家族的其他成員進行分析後發現，不僅KCNE1還有其他的成員也能對TMEM16A的起到調節作用。

進一步地，作者們在包括腎近端曲小管細胞在內的體內系統中對KCNE1-TMEM16A在電壓依賴的Cl-離子電流的誘導產生過程進行了確認。結果說明不僅僅是在體外系統，在體內的組織中KCNE1對TMEM16A也具有調節作用。除此之外，作者們對KCNE1中與TMEM16A調節起到關鍵作用的基序進行了鑑定，發現KCNE1的N端尤其是一個13胺基酸的基序對於TMEM16A的調節非常關鍵。在該區域存在KCNE1的病理相關的胺基酸多態性，而這種胺基酸多態性會影響與TMEM16A的相互作用從而抑制Cl-電流。

總的來說，上述工作將把一直以來被認為是K+通道蛋白輔助亞基的KCNE1的功能進行了拓展，發現雖然KCNE1本身並不具有離子通道的活性，但是可以作為CaCC家族TMEM16A的β亞基發揮作用，而且會促進TMEM16A由一個Ca2+依賴的Cl-離子通道變成一個電壓依賴的離子通道。該發現對現有的傳統離子通道分類發起了挑戰，為進一步豐富大家對於離子通道家族的認識提供了新的證據，並為離子通道相關的疾病提供了新的見解。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.047

參考文獻

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