離子通道是細胞膜上的具有親水孔道的一類疏水膜蛋白，能選擇性通透不同離子(如：K+，Na+，Ca2+，Cl-等）。隨著跨膜離子流動而使得通道所在膜兩邊的跨膜電位發生變化，進而實現神經傳導，肌肉收縮，或細胞內外離子平衡。電壓門控離子通道的孔道開放與關閉受細胞膜兩邊的膜電位調節。不同離子通道受膜電位影響的方式不一樣，包括去極化（depolarization膜內電壓高於膜外電壓） 或超極化（hyperpolarization膜外電壓高於膜內電壓）調節。
鉀離子是植物生命過程中的關鍵元素，在植物的生長發育及各種生理過程中起至關重要的作用。植物利用細胞膜表面的鉀離子通道進行鉀離子吸收或者外排，從而維持體內鉀平衡並實現生理功能調節。KAT1是表達於擬南芥葉片氣孔保衛細胞（guard cell）中的鉀離子通道。研究表明KAT1是一種電壓門控的內向整流鉀離子通道，介導K+內流，引起氣孔膨脹和開放，在調節植物葉片表面氣孔孔隙變化中起關鍵作用。
KAT1屬於一種較為罕見的超極化激活-內向整流離子通道（hyperpolarization inward rectifying K+ channel）。與典型的去極化激活K +通道相比，KAT1具有獨特的反向電壓依賴性：去極化導致通道關閉，超極化導致通道開放，並開放K+向內流動（高等動物中電壓門控K+通道通常為外向整流K+離子通道）。目前，超極化激活的內向整流離子通道的研究非常少，其獨特門控特性的結構機制仍然不夠清楚。
2020年9月8日，中國科學技術大學田長麟課題組在Cell Research在線發表題為「Cryo-EM structure of the hyperpolarization-activated inwardly rectifying potassium channel KAT1 from Arabidopsis」的研究論文，該研究報告了來源於擬南芥的超極化內向整流鉀離子通道KAT1的冷凍電鏡結構，整體解析度為3.2 Å。KAT1的結構是目前報導的第一個來源於植物的鉀離子通道結構。
KAT1冷凍電鏡結構表明KAT1具有典型的「非結構域交換(non-domain-swapped)」的拓撲結構，這與來源於動物的Eag (Kv10.1)，hErg (Kv11.1)，HCN1等通道具有較高的結構相似性，而與Kv1.2, Nav, Cav等通道的拓撲結構存在較大差別。KAT1具有由Thr-Thr-Gly-Tyr-Gly等胺基酸構成的K+離子選擇過濾器(selectivity filter)，以及由(RIL)(SML)(RLW)(RLR)(RVS)等胺基酸構成的電壓感受器(voltage sensor)，符合經典的鉀離子通道結構特徵。通過與Kv1.2, Eag, hErg以及HCN1等離子通道進行結構比較發現，作為電壓感受器的S4跨膜螺旋自身並不決定KAT1的超極化激活。
結合KAT1的膜片鉗電生理和KAT1冷凍電鏡結構數據表明，KAT1的S4, S5跨膜螺旋之間的linker結構與S6螺旋後端的C-linker結構之間存在較為穩定的相互作用，在超極化條件下，S4螺旋向細胞膜內滑動，推動S6螺旋，進而打開通道。該工作揭示了KAT1與經典鉀離子通道之間的結構相似性以及差異，為闡明離子通道的門控機制，特別是超極化激活的內向整流K+通道的物理化學機制提供了新的線索。
本工作由中國科學技術大學生命學院博士研究生李思宇，楊帆，張勇及特任副研究員孫德猛等共同完成，田長麟教授，張隆華副教授，孫德猛特任副研究員指導本項工作，並作為本文的共同通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學基金，科技部重大研究計劃，科學院先導專項等的經費支持。值得一提的是，本項工作還在評審期間，芝加哥大學Eduardo Perozo課題組5月27日在Nature發表了同一個蛋白的冷凍電鏡結構，並揭示與本項工作類似的超極化激活機制 (https://doi.org/10.1038/s41586-020-2335-4)。本項工作經過評審後，於8月14日被國內雜誌Cell Research接收，9月8日公開發布（https://www.nature.com/articles/s41422-020-00407-3#accession-codes）。
（合肥微尺度物質科學國家研究中心，生命科學與醫學部，科研部）