PIP2对KCNQ通道各亚型不同激活能力的分子机制研究

Lipid molecules are able to selectively interact with specific sites on integral membrane proteins, and modulate their structure and function. Identification and characterization of these sites are of importance for our understanding of the functions of lipids and proteins. PIP2 lipid molecules in membranes contribute the distinct functions of ion channels. Voltage-gated potassium (Kv) channel family has several subfamilies and each subfamily has several members. We previously have investigated the differences between the KCNQ subfamily and other Kv subfamilies in interaction with PIP2. The modulations of PIP2 on KCNQ subfamily members also have differences. Here, we will study the differences of KCNQ members in interaction with PIP2 to elucidate the molecular mechanism of the different modulations. Because the interaction differences are fine and dynamic, we mainly use the all-atom molecular dynamics simulation method, in combination with electrophysiology assays and molecular biology assays. This project will reveal new PIP2 binding sites and new binding modes, which will significantly promote our understanding on the mechanism under the various lipid modulations on highly homologous proteins.

磷脂分子与膜蛋白的相互作用是膜功能研究的重要内容，对理解脂分子和膜蛋白的功能有重要意义。膜上的PIP2磷脂分子与各通道的不同作用是通道功能差异性的重要来源之一。电压门控钾(Kv)通道有多个亚家族，每个亚家族内又有多个成员。申请人等的前期工作发现了PIP2对KCNQ亚家族和其他Kv亚家族不同调控的分子作用机制。PIP2对KCNQ亚家族内各成员的激动能力也有差异性。本项目将研究PIP2与各KCNQ亚型的动态相互作用，阐明PIP2不同调控能力的分子机制。由于所研究的是精细的动态差异，因此主要采用精细的全原子分子动力学模拟方法，结合分子生物学和电生理等实验手段。本项目将发现新的PIP2动态结合位点和新的结合模式，对阐述磷脂分子差异性调控高度同源蛋白的分子机制有重要意义。

电压门控钾离子通道KCNQ亚家族的5个成员（KCNQ1-5）的激活都需要一种磷脂分子PIP2的参与，而且PIP2对这5个成员的调控存在差异性。不同亚型的KCNQ通道调控不同的生理功能，自身也具有不同的调控特点，所以深入研究KCNQ通道每个成员特有的调控机制，对探索离子通道的自身结构和功能特性具有重要意义，也可以为设计开发针对不同亚型的“个性化药物”来减少药物使用的副作用提供开发思路和策略。本项目借助分子动力学模拟开展了PIP2对KCNQ通道各亚型激活机制研究，系统绘制了PIP2对KCNQ通道亚型激活动态过程，并通过理论计算结合分子生物学和电生理实验来验证动态结合模型中KCNQ通道各亚型关键位点作用和构象变化关系，揭示PIP2对KCNQ通道动态激活机制。最后，通过分析比较KCNQ通道各亚型结合模型和结合位点之间的区别和联系，提出PIP2对KCNQ通道各亚型不同激活能力的分子机制。本项目在揭示磷脂分子对同源性和结构相似度更高的Kv通道同亚家族不同亚型成员之间的调控差异性机制，也为研究PIP2对其他高同源蛋白之间调控机制提供借鉴。