PIP2调控神经元KCNQ钾离子通道的分子机制

KCNQ K+ channels are the molecular basis of M-currents in neurons, and their activities require association of PIP2. In addition, ACh and a variety of neural peptides modulate M-currents by altering the PIP2 level in the membrane. Our goal is to investigate the molecular mechanism of PIP2 modulation of neuronal KCNQ (KCNQ2-5)channels, including identifying PIP2 binding sites and revealing how PIP2 alters gating mechanisms of KCNQ channels. Our research will answer the key scientific question that if and how PIP2 modulates the general processes of voltage dependent gating, such as voltage sensor movements, the coupling between the voltage sensor and the activation gate, and the opening of the channel pore. These studies will provide insights on how PIP2 modulates the fundamental mechanisms of ion channel gating and the basis for understanding physiological functions of PIP2 channels in neurons. The studies will also reveal the mechanism of how KCNQ mutations are associated with neural diseases, providing a basis for the treatment of such diseases.

KCNQ钾离子通道是神经元M电流的分子基础，其活性依赖细胞膜中的PIP2与之结合；而ACh和多种神经肽通过降低膜中PIP2含量调控M电流。本项目研究PIP2调控神经元KCNQ(KCNQ2-5)钾离子通道的分子机制，包括标出PIP2在通道分子上的结合位点的组成和定位以及揭示PIP2如何改变KCNQ通道电压门控机制。 拟解决的关键科学问题是PIP2如何影响孔道电压感受器、激活门或通过影响两者间的藕联这些电压门控机制中的关键步骤来调控孔道的开放。通过这些研究，我们能进一步理解KCNQ通道的工作原理、生理功能、及其在神经元中的调控，并对理解电压门控离子通道共有的工作机理及调控做出贡献。更重要的是，这些研究可揭示一些与KCNQ通道相关的神经病变的原理，为今后这些疾病的治疗提供实验和理论基础。

在PIP2调控KCNQ分子机制的研究中，我们首先通过点突变扫描的方式明确了PIP2结合于KCNQ的S2-S3，S4-S5的连接肽和近S6区域，随后发现了PIP2主要参与了门控机制中的耦联，并发现了由于KCNQ的VSD和PD的蛋白互作因静电互斥而减弱，因此PIP2主导了KCNQ VSD和PD的耦联。我们的研究结果一方面结束了关于PIP2在KCNQ上结合位点的争论并回答了很重要的科学问题：PIP2调控KCNQ分子机制是什么，另一方面也为确诊离子通道疾病、治疗离子通道病和研发相关药物提供了理论依据。..在对芋螺毒素Vt3.1的研究中，我们发现了它可以与β4亚基的胞外区域结合并抑制BK通道的活性。通过分析芋螺毒素Vt3.1对BK通道G/V曲线、激活/失活曲线和BK单通道电生理特性，我们发现Vt3.1主要通过抑制BK通道的电压依赖性激活而发挥作用。因β4亚基主要在中枢神经元表达，因而芋螺毒素Vt3.1可以特异性抑制中枢神经元BK通道的活性。Vt3.1的发现可以深入研究BK通道的结构机理并揭示该通道β亚基的结构原理。同时利用Vt3.1对BK通道的抑制机理，将有助于深入认识BK通道在脑中的作用，并为相关的离子通道疾病药物提供研发的理论研究依据。..利用计算生物学和实验方法相结合，我们研究了SKF83959对海马锥体神经元的影响。我们依次检测了SKF83959对海马锥体神经元胞体和树突的兴奋性、去极化阻滞（depolarization block）和兴奋性突触后电位（EPSP）的影响，发现然SKF83959虽然引起了海马CA1区锥体神经元的去极化，但它依然降低了海马CA1区锥体神经元兴奋性。这些发现能部分解释该药物在抗帕金森、抗抑郁方面的机理。这为研究SKF83959的作用机理和将SKF83959进一步开发为抗帕金森、抗抑郁药物奠定了理论基础。