多肽与钾离子通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker新型的作用与机制研究

The extracellular linkers between transmembrane helices S1 and S2 (S1-S2 linker) in various potassium channels are full of sequence diversity, however, their structure-function relationships remain unknown for a long time. Based on the our systematic work on peptide-potassium channel interactions, we first fortunately unmasked the veil of potassium channel S1-S2 linkers through using human defensin peptides (J Biol Chem, 2015, 290: 15487; FASEB J, 2015, 29: 4324).This project will focus on the novel interactions and mechanisms between peptides and potassium channel S1-S2 linkers, and carry out following studies: screening and identifying peptides interacting with potassium channel S1-S2 linkers; in-depth investigating molecular mechanisms on peptide-potassium channel S1-S2 linker interactions; designing selective and potent peptides acting on the S1-S2 linkers of potassium channels. These work will not only find more and structurally diverse peptides interacting with potassium channel S1-S2 linkers, but also reveal the structural and funcitonal diversity of potassium channel S1-S2 linkers, and open a new field on the interactions and bio-medical applications on peptides and their receptors of potassium channel S1-S2 linkers in the future.

不同钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker具有非常显著的序列多样性，几十年来它们结构与功能关系是一个长期冬眠的基础科学问题。立足我们多肽与钾通道作用研究的系统工作积累，及基于防御素多肽初步揭开这个问题神秘面纱的新发现（J-Biol-Chem,2015,290:15487; FASEB-J,2015,29: 4324），本项目紧紧围绕“多肽与钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker的作用与机制”关键科学问题，系统开展作用钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker多肽的筛选与鉴定，深入研究多肽与钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker分子作用机制，分子设计特异性作用钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker多肽。这些工作不仅将首次发现众多结构多样的新型功能多肽，而且将创新地揭示钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker结构功能的多样性，开辟多肽与钾通道相互作用与生物医药应用的新领域。

不同钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker具有非常显著的序列多样性，几十年来它们结构与功能关系是一个长期冬眠的基础科学问题。本项目主要开展了作用钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker多肽的筛选与鉴定及作用机制研究。通过生物信息学分析，挖掘了潜在作用用钾通道跨膜螺旋S1-S2细胞外linker的防御素多肽和其它新型结构多肽。综合运用多种技术，分别测定了代表性防御素多肽和新型结构多肽与不同钾离子通道的相互作用，发现了作用钾离子通道Kv1.2、Kv1.3、Kv1.6、Kv7.1等不同活性的防御素多肽和其它新型结构多肽（如小鼠β-防御素多肽mBD3、人防御素多肽hBD3和hBD4、无脊椎动物蝎防御素多肽BmKDfsin3和BmKDfsin5等），并测定了无脊椎动物代表性防御素多肽BmKDfsin3的空间结构（Protein Data Bank code： 5XA6）。通过定点突变技术构建系列钾离子通道嵌合体，发现了这些有活性的多肽主要作用于钾离子通道膜螺旋S5-S6细胞外linker，而不是钾离子膜螺旋S1-S2细胞外linker。相关其它多肽筛选和改造工作仍在进行中。这些工作第一次更加系统地表明了广泛存在于真菌、植物、无脊椎动物和脊椎动物的防御素多肽是一类巨大的作用钾离子通道的天然多肽资源库存，为作用钾离子通道新型多肽抑制剂的发现和应用带来了新希望。在此新的研究领域，本项目第一次归纳总结了作用钾通道的防御素多肽的现状和未来的发展方向（相关工作发表于Toxicon, 2019, 157: 101）。