钾离子通道内弱相互作用网络对其离子选择性影响的研究

Ion selectivity is one of the most important basic characteristics of potassium ion channels which plays important roles in diverse physiological functions. Study related with ion selectivity becomes one of the continuing concerns among several problems related to channel research. It is important to explore the common and important microscopic mechanism at the molecular level..In this project, we will combine the molecular dynamics siumlation, theoretical exploration and electrophysiological experiments to study the ion selectivity of KCNQ (voltage-dependent gating), Kir (non-voltage-dependent gating) potassium channels. This study will shed light on understanding the mechanism of selectivity of ion channels.

离子选择性是离子通道最重要的基本特征之一，也是其实现生理功能的分子基础，因此对离子选择性的研究成为与对通道研究有关的诸多问题中倍受持续关注的问题之一。在分子水平上探究这一具有共性而又十分重要的微观机制具有重要意义。.本课题拟以KCNQ（电压依赖性）、Kir（非电压依赖性）钾离子通道为研究对象，从实验分析、理论探索、计算模拟三方面并重研究，即将分子生物及电生理实验、非平衡统计及相关理论研究、分子动力学模拟有机结合起来，在分子层次上深入探讨离子选择性与通道分子内部弱相互作用机制之间的关系，力求对揭示复杂系统中的生命过程、阐释相关的物理问题做一些有益的工作。

本课题以钾离子通道和钙激活氯离子通道为研究对象，采用分子生物学及电生理实验、非平衡统计及相关理论研究、分子动力学模拟三者并重的模式，深入探讨离子通道内部弱相互作用网络调控通道蛋白功能离子选择性及门控过程的分子机制。经过课题组全体成员的积极努力，超额完成项目计划书的研究内容，在以下几个方面取得阶段性成果：.1. 课题负责人安海龙教授成功入选河北省突出贡献专家（2015年）、河北省学科评议组成员（2014年），获得河北省杰出青年科学基金资助（2015年），入选河北省高校“百名优秀人才创新支持计划” （2014年）和河北省“三三三人才工程”三层次人选（2014年）。获评河北省优秀科技工作者（2015年），天津市五一劳动奖章（2015年）获得者。2. 安海龙教授独立指导研究生3名，协助展永教授指导博士研究生3名、硕士研究生2名，毕业博、硕士研究生各1名。3. 与合作导师中科院力学所龙勉研究员，河北工业大学展永教授、河北医科大学张海林教授以及美国弗吉尼亚联邦大学Diomedes E. Logothetis教授积极开展合作研究，发表论文10篇，总影响因子：30.03，获得授权发明专利2项，参加国际会议15 人次，应邀做专题报告3 次。并在以下五个方面取得创新性成果：.1). 首次实现了Kir2.1通道由关闭态向开放态的一系列构象变化，揭示了通道内部弱电相互作用网络通过长程传递作用，改变通道构象，影响通道功能的分子机制；2). 阐释了胞外镁离子电压依赖性抑制Kir2.2通道功能的分子机制：由于Kir2.2通道胞外侧缺少负电荷氨基酸，降低了其与胞外钾离子的亲和力，导致镁离子可以从外侧与通道结合进而抑制通道功能；3). K2P通道选择性过滤器外口处His的质子化，会改变通道内部弱相互作用网络，诱导 His侧链的构象由“下伸”转换到“上举”状态，进而增加了K2P通道对Na+的通透性。4). 证明了Kv1.2通道内部Tyr124的磷酸化通过增加其S6螺旋上Leu403-Leu407氨基酸柔性，并降低Asn415 -Tyr420氨基酸柔性，从而降低通道开放/闭合过程的位垒，使得通道更容易开放。与实验观测到的结果相一致。5). 证实了在CaCCS通道内部存在两个具有不同亲和力的钙离子结合位点，两者间协同作用激活通道，锶离子、镍离子和钙离子钙都可以通过与CaCCs通道结合并激活通道。