hβ2亚基在BK通道孔中的作用位点探测及TRPV1通道的脱敏机制研究

摘要

现代生命科学的发展改变着人们对生命获得过程的认识，而离子通道的研究不仅与信号发生、传递和转导紧密关联，同时也涉及到诱发各种遗传或非遗传疾病的分子机制。了解离子通道的精细结构，探讨离子通道的门控机制和动力学特性，弄清楚离子通道结构和功能之间的关系意义重大。本研究工作由两部分组成：第一部分探讨了钙和电压激活的大电导钾离子通道（Maxik 通道，又名BK 通道）的β2 亚基N 端失活域在由α亚基组成的孔道中的作用位点；文章第二部分则是讲述痛觉敏感型通道TRPV1的适应性调节的分子机制的。
　　 BK 通道广泛地存在于可兴奋细胞，特别是神经系统中，具有调节胞内钙浓度和膜电位等重要生理功能。目前，电压依赖型钾离子通道（Kv 通道）的研究已取得较大进展。BK通道与Kv通道在结构和功能上既存在某些相似之处又各具特点。如它们都结合有β辅助亚基，并由β亚基的N端疏水性氨基酸残基堵塞孔道引起N型失活。
　　 然而现有实验结果表明，K+通道的孔道阻断剂（如TEA、QX-314等）能够减慢Kv通道的失活过程，然而却不能减慢BK 通道的失活。为什么这两者如此不同？BK通道的β2亚基N端失活域是否进入由α亚基组成的BK孔道？两者究竟发生了怎样的相互作用？通道阻断剂为什么不和失活域在通道孔中相互竞争结合位点？本课题的研究目的之一即是要回答和解决这些目前仍然困扰我们的问题。我们将hβ2N端的前三个氨基酸FIW突变为FWI，发现hβ2的这一突变体hβ2-FWI对BK通道的失活没有影响，但通道的失活恢复曲线却由单指数转变为双指数。利用hβ2-FWI所引起的双指数恢复特性变化作为两者间相互作用的判定依据。通过丙氨酸扫描法(Alaninescanning)，即将α亚基形成孔道的S6区疏水性氨基酸依次突变为疏水性较弱的丙氨酸，然后通过膜片钳实验记录分析失活后通道的恢复特性变化，进而了解两者间的相互作用。
　　 借助作为通道孔道阻滞剂的麻醉剂QX-314和TEA等药物进一步解释了BK通道失活的非竞争机制。我们得到了如下几个结论：
　　 (1)位于mSlo1孔道中的氨基酸Ile-323是失活过程中与β2亚基N端失活域有相互作用的主要位点。孔道内的另外两个氨基酸M314和V319 也参与了这一过程。
　　 根据hβ2-FWI 亚基N 末端的线性结构特点，我们推测mSlo1孔道与hβ2-FWI在BK通道失活过程中存在如下的相互作用关系：I323-I，V319-W，M314-F，其中I323起着主导性的作用。同时进一步明确了β2亚基的失活域的确进入了BK通道的孔道从而引起通道的失活。
　　 (2)通道阻滞剂QX-314和TEA在BK孔道内均无特异性的结合位点。因此它们不会像其它胞内阻断剂那样在抑制Kv 通道电流的同时还减慢通道的失活，这是因为β2 N 端失活域的作用位置比较靠近孔道口，即孔道内的最后一个疏水性氨基酸Ile-323，而QX-314的作用位置位于孔道内，因此QX-314不会与失活域竞争相同的作用位点，从而不会影响β2 引起的通道失活过程。根据实验结果，我们提出了一个全新的非竞争模型，该模型不仅可以很好的解释我们的数据，而且为进一步阐释BK通道的结构和门控机制提供了重要的实验和理论支持。
　　 (3)我们的实验结果还显示：与野生型mslo1 通道电流相比，突变型I323A不管是单通道还是宏观电流均有明显差异，表现为出现了野生型通道所不具有的外向整流特性。形式上突变型I323A的单通道出现了非常像噪声的电流，同一电压下可以同时记录得到几个不同大小的单通道电流，即是说Ile-323A 还引起了BK 通道电导的改变。据此我们推测Ile-323对BK 通道具有双重作用，既是β2 失活域在孔道中的作用位点，同时还能调节BK 通道的门控特性。另外还发现一个非常有趣的现象，312位点的Leu 亮氨酸残基的突变能够极大地改变BK 通道的电压依赖性。我们研究小组在后续的两篇文章中分别证明了这两点推测：Ile-323 确实为BK 通道的关节所在，323 点的氨基酸残基疏水性降低，会使得“关节”变得松弛，进而导致通道开放时四个亚基间协同性的不一致和开放几率的改变(Guo et al，Biophys J. 2008 May 1;
　　 94(9):3714-25)。而Leu312位点则可以极大地增强BK 通道的电压敏感性（Wu et al.,J Biol Chem. 2009 Aug 28；284(35):23353-63）。
　　 适应性调节是大部分感觉器官共有的一种性质，但是痛觉适应性产生的根源和机理仍然不为人们所知。文章的第二部分在受体水平探讨了伤害感受器TRPV1 通道的适应性调节的分子机制。我们发现通道在脱敏反应发生后，仅改变了通道对激动剂的敏感性，而不影响最大电流的响应，据此，我们在脱敏感念的基础上提出了痛觉适应性调节概念。该部分我们主要得到以下几个主要结论：
　　 (1)Ca2+经由开放的TRPV1 通道内流引起脱敏反应的发生，脱敏反应发生后仅改变了通道对辣椒素的敏感性，浓度敏感性降低了14 倍，但这一改变并不影响通道的功能。
　　 (2)通过联合应用全内反射荧光显微技术和膜片钳记录技术，我们证实了PIP2参与了TRPV1 通道脱敏反应的发生，PIP2 分解的速率和量的变化都足以改变通道对激动剂的响应。借助药物Rapamycin 专一性降低细胞内PIP2含量作为研究工具，通过测量通道对辣椒素浓度依赖性曲线，我们进一步量化了PIP2对脱敏反应的贡献，约占60%。
　　 (3)我们还发现TRPV1 通道对激动剂敏感性的改变依赖于刺激强度，不同的刺激强度得到不同程度的脱敏响应。我们推测有两种可能性：一是通道蛋白有记忆功能，这种可能性比较小；二是不同刺激强度作用下的TRPV1 通道离子通透性不同，因此，内流Ca2+的量和分布特性不同，导致PIP2 分解量不同，从而引起不同程度的脱敏反应。