离子通道的三维结构

在分子克隆的年代揭示了VGIC超家族，现在它已成为整个蛋白质分子家族中的第三大超家族。另外两个比它大的超家族是G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）和激酶。有关电压门控超家族的知识，刺激了一系列突变与功能关系的研究，使我们获得了关于“孔”、选择性滤过、门控机制等的认识。毫无疑问，非常令人佩服的卡通图作用是来自这样一些事实：我们所研究的领域多数是局限于跨膜区的，而跨膜区在膜里面是大大受约束的，并且跨膜区的结构多是蛋白质分子的螺旋片段。但是当我们深刻地思考问题，让研究深入下去的时候，就接触到大分子结构的要害，即负责通道功能的结构基础是什么。在通道功能的研究处于卡通期之时，如图2-1a那样，人们已经知道，需要有一些工具，运用物理和化学手段来更好地了解通道。当分子克隆阶段到来的时候，我们有能力得到相当数量和品质的离子通道及通道域，可以进行X射线衍射结构研究，这样就前进了一大步。再过10年后，也就是在Neuron杂志创办10年后的1998年，这个仍然没有弄清楚的分子结构模式已经开始被人弄清楚，人们知道了总体分子结构，知道了通道域，这也就是1998年R. McKinnon等人的工作。他们发现了特定氨基酸的位置，极大地增加了以前突变-功能研究时代所用方法的准确程度。到今天，当某个特定通道的结构全貌已经知道以后，可以追问详细的机制性问题，可以把结构研究、功能实验和分子模拟实验结合起来。这是我们现在的情况，我们开始在物理和化学的基础上深入了解通道功能［3］。

取得了第一个原子分辨水平结构的突破，而且达到了通道分子全长，用的是古细菌离子通道。对许多人来说，此发现非常令人惊奇。古细菌具有原型的VGIC、LGIC家族离子通道，但是这种生物并无神经系统。与其他领域的结构研究相似，这种古细菌的蛋白质被证明非常有价值，可以用来了解离子通道的轴心功能，如钾通道、NaV、LGIC等。我们应该经常想到，这样一个涉及生物化学功能共同机制的原理，对于现代分子生物学是具有基础性意义的。例如，特定古细菌通道的结构或机制性特征，对于高等动物如人是否有用？我们认为，虽然可能有某些细节上的区别，但许多特征应该是保留了下来。具有讽刺意味的是，这虽是受生理学驱动的重要领域，但基本上在所有情况下，对细菌和古细菌离子通道的生物学功能，迄今为止仍然不清楚［3］。

应用古细菌通道，把它作为强有力的模式系统，用以鉴定VGIC机制的轴心部分，这已经使通道功能研究前进了一大步。以后，真核细胞的膜蛋白结晶图也出来了，同聚体的代表性分子结构也产生了，这些资料来自3个真核细胞的钾通道——KV、Kir、K2P。然而，三维界定离子通道的时代才刚刚开始，我们还希望能够产生复杂的多蛋白质复合体通道，例如Kv7通道、NMDA受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）以及多组成复合体如钙通道CaV。我们希望有更多的突破［3］。

许多通道会保留至少3个基本状态——关闭、开放、失活。我们希望能够发展一种工具，最好能把每个状态都抓住。有了这样的条件，就可以获得它们的代表性结构。如果能比较不同分子所处的状态，那将是很有趣的。例如，比较VGIC与另一膜蛋白通道——ATP泵，当它们正处于离子通过通道的时候。在ATP泵方面，由于有大量丰富的ATP拟似物以及其他药理学工具，因此在ATP泵的结构研究中几乎已经把所有主要中间状态的构象都描绘出来了，整个转运过程也已经做出来了，因为它有一定的稳定性。现在我们希望的是，对于VGIC家族结构的了解也是这样，也可以达到与描绘ATP泵一样。希望在未来的10年，我们能够做到这一点。此外，对于跨膜VGIC家族而言，即使有一个共同的轴心部分，其门控输入也可以有很多不同，例如有电压的、温度的、小分子的、脂的，所以必定会有出乎意料的结构转变的变异以及构象的多样性。这些都只能在描述用来解释VGIC许多亚型的结构，而且当亚型处于不同状态的时候才有可能。有必要发展新的分子来调控通道功能，而且得到复合物的结构。得到这种调控物将会使我们对通道机制的了解有所进步；重要的是，可以提供新的工具，使之与有关的生物学功能结合起来［3］。

这样，即使事情已发生变化，对通道的了解已经从卡通时期转到现在的三维结构时期，但基本问题仍然是：什么结构开放了，这个“孔”是怎么开放的，门控在哪里，“孔”里面是什么东西在流动，等等。这些问题始终是我们关心的。这个领域的中心问题不仅对一个得到经典研究的通道才是中心问题，如VGIC、LGIC、谷氨酸受体等，更重要的是，一些不太被了解的通道将会得益于对离子通道的深入研究，例如基于另外一种三倍体结构的通道，如P2X受体（purinergic receptor 2X）、ASIC，以及那些对温度、对机械力起反应的通道［3］。