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BK通道β亚基loop区域对通道结构和功能的影响

甘戈亮  
【摘要】: 细胞膜的存在使细胞内形成一个比较稳定的内部环境。但是,细胞的内部环境并没有完全封闭起来。它通过很多途径与外部环境之间进行物质和能量的交换。离子通道就是行使这种功能的一类重要的蛋白质。按照离子通道的门控方式进行划分,离子通道分为电压门控通道、配体门控通道、pH门控通道和机械敏感通道四种。BK通道是一种Ca~(2+)和电压激活的大电导钾离子通道。它广泛地存在于可兴奋性和不可兴奋性细胞中。因为,它的单通道电导是一般钾离子通道的10倍以上。因此,在生理过程中,BK通道扮演着十分重要的角色。但是,在不同的组织细胞中,BK通道往往表现出不一样的电流特性。经过研究发现,BK通道α亚基和β亚基的结合是产生这一现象的重要原因。在本文中,着重运用了电生理膜片钳、分子生物学构建、点突变、真核细胞培养以及计算机三维结构模拟等技术,探讨了β2和β4亚基的loop区域带给BK通道结构与功能的变化。 本课题的主要研究结果和结论如下: (1)众所周知,BK通道的β2亚基会带给它一个快速、完全的失活。同时,增加通道的Ca~(2+)依赖性。除此之外,β2亚基会使BK通道在高电压的时候产生外向整流的性质。利用电生理以及分子生物学点突变的技术发现,在高电压情况下,整流现象的产生,主要是β2亚基loop上4个带正电荷的赖氨酸造成的。经过分析,认为当BK通道的α亚基和β2亚基结合之后,β2亚基的loop部分会在BK通道的pore上方形成一个“帽子”。几个带正电荷的赖氨酸——K137、K141、K147、K150齐聚在pore的上方形成强大的正电荷场,从而阻止K~+从胞外进入胞内,于是就产生了外向整流。 (2)β4亚基主要表达在神经系统,特别是大脑中。它的存在会减慢通道的激活和去激活。目前已知,β4亚基带给BK通道最重要的性质是使通道对一些毒素,如Charybdotoxin(CTX)、Iberiotoxin(IbTX)产生了抗性,从而使毒素的阻断速率降低1000倍以上。这样就可以保护我们的神经系统避免受到外部毒素的侵害。通过实验,发现这种对特定毒素的抗性与一个特殊位置的酪氨酸,以及3个带正电荷的氨基酸有关。位于100位左右的酪氨酸是毒素的结合位点,有了它,毒素就可以很容易的到达通道的外口。CTX和IbTX的序列上都富含有正电荷的氨基酸。β4亚基上的正电荷氨基酸会与毒素上的正电荷氨基酸产生互斥的作用,从而阻止毒素接近通道的pore部分。由于,β4亚基上没有那个特殊的可供毒素结合的酪氨酸,因此,它对于毒素的抵抗能力就更强了。 (3)通过以上的两个实验,我们知道,当BK通道的α亚基和β亚基结合之后,β亚基的loop部分会在pore上方形成一个“帽子”,从而对通道的结构和功能产生影响。因为,现在得到具体的通道蛋白晶体结构比较困难。所以,我们利用计算机三维结构模拟的方法来预测这一蛋白复合物的结构。通过分析发现,BK通道α亚基的S5和P-Loop之间的linker部分,在不与β亚基结合的时候是打开向外的。这与以前得到的Kcsa晶体结构不一样。与β亚基结合之后,这个打开的linker部分会向中间收拢。这个复杂的结构形成之后,β4亚基的3个正电荷氨基酸正好位于通道口的上方靠外的地方,这样就利于它阻止带正电荷的毒素进入通道。而β2亚基的正电荷跟β4亚基相比,在位置上发生了一定的偏移。因此,它对于毒素的阻断作用弱了很多,但是,使BK通道产生了外向整流的性质。


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