PNAS:磷脂與膜蛋白相互作用研究取得新進展

膜與膜蛋白的相互作用是當前生物學研究熱點之一。細胞膜組分和結構均十分複雜，其中一些特殊組成直接與膜蛋白結合參與調控蛋白質功能。例如，膽固醇和4，5-二磷酸磷脂醯肌醇（PIP2）分別與G-蛋白偶聯受體(GPCR)和電壓門控鉀離子(Kv)通道結合。結構生物學研究獲得了GPCR表面上一些膽固醇結合位點信息，分子動力學(MD)模擬能直接觀測到膽固醇與一些GPCR的結合過程，在一些已知位點上得到與晶體結構非常一致的結果，並且預測新的結合位點。然而，目前PIP2與Kv通道的結合及調節機制還不清楚。KCNQ2通道是一類與癲癇相關的Kv通道，其活性依賴於PIP2的結合。近日，中科院上海藥物研究所藥物發現與設計中心蔣華良研究組與利民教授領銜的神經藥理學研究國際科學家工作站研究人員合作，在PIP2調控KCNQ2通道機制研究上取得突破。

針對Kv1.2和Shaker通道的研究工作認為，PIP2與通道閉合結構中的S4-S5連結螺旋結合，從而降低Kv通道電壓敏感性，使得電導-電壓曲線右移。上海藥物所研究人員首先用MD模擬方法研究了PIP2與KCNQ2通道的結合過程，結果表明，在通道處於閉合狀態時，PIP2並不與S4-S5連結螺旋結合，而是與S2-S3 loop區結合；在通道處於開放狀態時，PIP2與S4-S5連結螺旋結合。PIP2隻穩定開放態的S4-S5連結螺旋。電生理實驗驗證了MD模擬結果，顯示PIP2會增強而不是降低KCNQ2通道電壓敏感性。電生理實驗還支持了MD模擬提出的PIP2結合位點，並且表徵了位點的功能差異。

Kv1.2、Shaker和KCNQ通道是高度同源的Kv通道蛋白，上海藥物所該項研究發現PIP2與它們的結合以及對它們的調控作用卻都存在顯著差異，表明磷脂與膜蛋白相互作用可能是決定大量同源家族膜蛋白功能差異的重要因素之一，需要在更微觀的角度研究膜與膜蛋白相互作用。

11月25日，《美國科學院院報》(PNAS)在線發表了該研究結果。論文共同第一作者為上海藥物所研究生張乾森和周平正，通訊作者為陽懷宇副研究員，共同通訊作者為高召兵研究員。本研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目的支持。（生物谷Bioon.com）

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Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America               doi: 10.1073/pnas.1312483110

Dynamic PIP2 interactions with voltage sensor elements contribute to KCNQ2 channel gating

Qiansen Zhanga，1， Pingzheng Zhoub，1， Zhuxi Chena， Min Lib，c， Hualiang Jianga， Zhaobing Gaob，2， and Huaiyu Yanga，2

The S4 segment and the S4–S5 linker of voltage-gated potassium (Kv) channels are crucial for voltage sensing. Previous studies on the Shaker and Kv1.2 channels have shown that phosphatidylinositol-4，5-bisphosphate (PIP2) exerts opposing effects on Kv channels， up-regulating the current amplitude， while decreasing the voltage sensitivity. Interactions between PIP2 and the S4 segment or the S4–S5 linker in the closed state have been highlighted to explain the effects of PIP2 on voltage sensitivity. Here， we show that PIP2 preferentially interacts with the S4–S5 linker in the open-state KCNQ2 (Kv7.2) channel， whereas it contacts the S2–S3 loop in the closed state. These interactions are different from the PIP2–Shaker and PIP2–Kv1.2 interactions. Consistently， PIP2 exerts different effects on KCNQ2 relative to the Shaker and Kv1.2 channels； PIP2 up-regulates both the current amplitude and voltage sensitivity of the KCNQ2 channel. Disruption of the interaction of PIP2 with the S4–S5 linker by a single mutation decreases the voltage sensitivity and current amplitude， whereas disruption of the interaction with the S2–S3 loop does not alter voltage sensitivity. These results provide insight into the mechanism of PIP2 action on KCNQ channels. In the closed state， PIP2 is anchored at the S2–S3 loop； upon channel activation， PIP2 interacts with the S4–S5 linker and is involved in channel gating.