离子通道研究的未来

从Hodgkin和Huxley 1952年的工作开始，第一个乌贼轴突钠通道、钾通道的电导被鉴定，其电压依赖性被测定以来，已经60多年了。60多年来，有一种了解离子通道的性质及其机械学的愿望，这些愿望驱动了此领域的研究。于是设计了新的研究方法，例如膜片钳方法，而且成功地挑战了一些技术，包括晶体结构方法以及关于通道构型变化实时调控的方法，目的是为了研究离子通道怎么工作，神经元是怎么实现它的信号传送的。这些研究揭示了门控分子的动作。门控的感知多数是在电压门控通道中得到的，在乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）及谷氨酸的门控通道中也有。从这些研究中发现了许多通道类型的模块结构，不但通道部分如此，在细胞外部分也有模块结构。一个大的挑战在于，了解这种多成分设计，了解它们如何组合输入信息从而调节基本功能，即作为一个开放的“孔”而让离子穿过。也就是说，从基本的方面来了解离子通道。将来的离子通道研究应该如何？如果把通道看作运动中的一个大分子复合体，归纳起来可以提出如下几点［3］。

许多通道家族的门控机制尚不清楚，包括温度被TRP通道所感受，机械力被TRP通道和压电（piezo）通道所感受。还有CARC通道(4)的门控，它是通过形成多蛋白质复合体来工作的，这个复合体既包括细胞质的部分，也包括细胞内膜的部分。基本问题仍然是，这个“孔”是怎么开放又怎么关闭的，是什么驱动了通道的转换，是什么调节了门控。这些问题仍然是我们必须了解的核心问题。非常有意思的是，在基因组时代，神经系统某些通道的分子特征以及通道所介导的信号过程的分子特征，在目前仍然是捉摸不定的。其中引人注目的是，有一个仍然非常奇怪的神秘分子存在着，它就是负责听觉的机械转导通道，对它仍然缺少分子鉴定。这又让我们回到基本的问题：“孔”是怎么开放的，通过它流动的又是什么？［3］

非常重要的还有，我们应该得到多个不同类型的通道结构，抓住它们在不同功能状态下的表现，即门控的转变。这可以在分子运动的光学检测上，以及在分子重新安排的水平上进行了解。只有具备了这样一种知识以后，我们才能够把有关分子机制的了解放到重组分子的水平来考察，以检验我们的认识对或不对。我们要重组一个真正的分子动力学模型，将它做成如同电影一样的视频，以便了解它是怎么动作的。更进一步，通过这类信息我们就有可能了解疾病状态下的突变是怎么发生和怎么影响功能的。达到了这样的目标以后，将需要进一步拓展结构研究。要有新方法抓住通道的功能状态而且实时观察其门控，像电压钳的荧光测定那样。还有，在计算模拟能力增强的基础上，可以模拟接近真正的门控时间层次。我们也希望了解更多的分子机制，把模拟和实验结果结合起来加以了解［3］。

虽然在有关通道的某些经典研究中，已经有了很好的药理学，但是对于多数类型的通道，仍缺少可用来调控通道功能或者鉴定通道在某个自然状态下功能的选择性物质。这种难以调控功能的状况，不仅妨碍我们对基本机制的研究，也妨碍我们了解，哪种特定的功能在某个复杂环境中（例如在脑片或者在完整动物中）到底起什么样的复杂作用。回头来看1988年Neuron杂志的一篇论文，该文运用选择性高亲和力化合物——贝类毒素（saxitoxin）来追踪NaV在鼠视网膜中的发育。现在，我们仍缺少对这些已克隆通道的高亲和力、高选择性物质，这说明我们的工作还没有做彻底。同样，我们可以回忆1977年所发生的事，那时已经提出，需要有物理、化学的工具，从而可以对通道了解得更好一些。要制造一些工具来做化学生物学研究以及发现小分子配基，这样就可以有选择地影响通道功能。有一个研究的方法是把新出来的结构基础作为一个平台来做，最近在GPCR的结构方面已经有了工作，我们做离子通道的可以模仿［3］。

除了以结构为导向模式的发展方向以外，另一个有希望的研究方法是：为了能够得到调控特定离子通道的化合物，我们可以应用牵系（tethered）配基。在这里，配基的共价键牵系提供了特异的高局部浓度，以此克服配基选择性缺乏及亲和力低的不足。这可能特别适合于神经系统研究方法的一个变种——对于光开关牵系配基的研究。在此情况下，牵拉物把有活性的分子连接到一个蛋白质上面，可以应用快速、可逆的光多聚化方法，可以用两个波长的光交替地发给配基，使它到达或者离开结合位点，从而激活或者对抗通道活性，甚至阻断通道“孔”。另一个有前景的策略是，用基因工程方法做成通道，使它能对非天然的、正常而具惰性的配基起反应，这在蛋白质偶联受体中已有先例。我们引用所提到的一些方法，是希望把已经在非神经元里面使用的方法，运用到神经元超分子复合体的研究上来，这样可以提高研究的准确性［3］。

总之，很多问题还没有解决。很多关键性问题都是基本机制性的，有待于澄清。对许多通道来说，一个令人鼓舞的前景是，在未来的四分之一世纪，通道学家将以无与伦比的能力来从事通道研究，把通道看作为一个大分子，把它看成一个生物学实体。我们希望完成一种连接，把通道生物学家带到一种梦寐以求的境地——了解最复杂分子的功能。正是这种功能驱动了生命的火花，驱动了人脑的火花，其中有神经元的电活动，也就是神经元的兴奋［3］。