人源钾-氯共转运蛋白KCC1的冷冻电镜结构

来源：求是风采

项目简介

郭江涛团队解析了人源钾-氯共转运蛋白KCC1的高分辨率电镜结构，揭示了KCC1的整体结构、二聚化的形成方式和离子结合位点。该研究为阐明KCC的离子转运机理提供依据，并将推动相关药物设计。

 Jiangtao Guo’s group determined high-resolution cryo–electron microscopy (cryo-EM) structures of human potassium-chloride cotransporter KCC1 and revealed its overall architecture, dimeric assembly and ion binding sites. This study proposed a potential ion co-transport model for KCCs and provided a blueprint for drug design.

研究团队

  该项目负责人郭江涛为浙江大学“百人计划”研究员，博士生导师，国家千人计划青年项目入选者，研究方向为分子生理与生物物理学。实验室主要采用冷冻电镜、X射线晶体学等方法研究离子通道、离子转运蛋白等膜蛋白的结构生物学。实验室近年来在膜蛋白结构生物学领域做出了一系列出色研究成果，以第一作者或通讯作者在国际顶级期刊Nature、Science等杂志发表了多篇重要研究论文。该项目由郭江涛团队牵头，联合浙江大学物理系李敬源团队（负责分子动力学模拟）、天津大学叶升团队（参与部分结构分析）、美国西南医学中心白晓辰团队（参与部分结构解析）和范德比尔特大学Eric Delpire（负责离子转运实验）共同攻关完成。

科学解读

    人体细胞内有各种各样的阳离子和阴离子，如钾离子、钠离子、氯离子等。各种离子在细胞内与细胞外的浓度有较大差别。为了行使正常的生命活动，细胞需要维持其内部的离子稳态，不断调控离子浓度的变化。在细胞膜上，有一类被称为阳离子-氯离子共转运蛋白的蛋白质，在调控细胞内的离子稳态方面发挥着重要作用。阳离子-氯离子共转运蛋白利用细胞膜内外侧的阳离子的浓度差将阳离子和氯离子同时从细胞膜一侧转运至另一侧。根据转运离子种类的不同，阳离子-氯离子共转运蛋白可以分为三类，分别为钠-钾-氯共转运蛋白（NKCC）、钠-氯共转运蛋白（NCC）和钾-氯共转运蛋白（KCC）。NKCC和NCC将细胞外的阳离子和氯离子共转运至细胞内，KCC将细胞内的钾离子和氯离子共转运至细胞外。阳离子-氯离子共转运蛋白调节细胞体积、承担肾小管的重吸收作用，调控神经元细胞内部氯离子浓度和神经元的兴奋性，因而是临床上治疗高血压、癫痫等疾病的药物靶点，受到广泛关注。然而，长期以来，人们对阳离子-氯离子共转运蛋白的空间结构和转运过程的细节的认识非常有限。

该项目中，郭江涛团队选取人源钾-氯共转运蛋白KCC1作为研究对象，整合单颗粒冷冻电镜技术，放射性同位素标记的离子转运活性实验和分子动力学模拟等多种研究方法，系统地研究了KCC1的空间结构和离子转运过程。

该研究首先揭示了KCC1的整体结构，即首次向人们展示了KCC1蛋白的空间构造是怎样的；其次，该研究还揭示了KCC1以二体的形式存在，两个KCC1分子通过多种相互作用维持二体的形成；再次，在KCC1的结构中，人们清晰地看到1个钾离子和2个氯离子，这一发现为人们理解KCC的离子转运的详细过程提供了全新的认识。过去的研究认为，KCC同时转运1个钾离子和1个氯离子；KCC1的结构表明，KCC1可以同时结合2个氯离子，但只转运1个氯离子。结合离子转运实验、分子动力学模拟、结构比较等方法，郭江涛团队提出，第2个氯离子的结合有助于钾离子和第1个氯离子的结构，从而对钾离子-氯离子共转运的过程也是必需的。最后，基于该项工作，研究人员提出了一个KCC1共转运钾离子和氯离子的模型。

该研究为极大促进了人们对KCC的空间结构和转运钾离子-氯离子的过程的认识。这些知识可用来指导人们对阳离子-氯离子共转运蛋白的调控，开发针对这类蛋白的药物，为临床上治疗高血压、癫痫等相关疾病提供帮助，具有重要的应用价值。