科学家“看清”钾-氯共转运蛋白结构

一旦人体细胞内钾、钠和氯等离子体的稳态失衡，就会导致一系列疾病，如高血压、抑郁症和癫痫。细胞膜上有一种称为阳离子-氯离子共转运蛋白的蛋白质，能有效调节细胞内的离子稳态。浙江大学医学院郭江涛研究组最近分析了人钾氯共转运蛋白成员KCC1的2.9A高分辨率冷冻电镜结构，揭示了钾离子和氯离子的结合位点，提出了钾氯共转运机制模型，为相关疾病治疗和药物设计提供了新的视角。该结果发表在10月25日的《科学》杂志上。

浙江大学医学院博士刘思、冷冻电子显微镜中心博士常胜海和物理学硕士韩斌明是本文的合著者。

一般来说，人体细胞中钾离子的浓度比细胞外的高。钾-氯共转运KCC利用钾离子的浓度梯度将细胞内的钾离子和氯离子转运到细胞外，从而调节细胞内氯离子的浓度。

氯离子浓度是一个关键指标。正是因为钾氯共转运体的成员KCC2不断地将细胞内的钾离子和氯离子转运到细胞外，从而使抑制性神经元细胞保持较低的氯离子浓度。如果KCC2变异，抑制性神经传递将被破坏，从而导致各种神经疾病，如癫痫等。

既然KCC的功能如此重要，为什么研究人员长期没有揭开这个家族的面纱呢？郭江涛说，这主要受到两个因素的限制。首先，获得钾-氯共运输的样品并不容易。另一方面，分子量较小的膜蛋白的高分辨率结构分析一直具有挑战性，通常需要几年时间，即使投入大量人力和资金，最终结果也往往不理想。近年来，冷冻电子显微镜的发展为分析膜蛋白结构提供了一种方便的方法。然而，困难仍然存在。

经过大量的蛋白质表达和纯化条件的优化，刘思最终获得了足量的KCC1蛋白样品，可用于冷冻电子显微镜数据采集。此时，浙江大学低温电子显微镜中心的300千伏高性能低温电子显微镜泰坦·克里欧斯正在大量使用。

为了减少电子对蛋白质的辐射损伤，需要在冷冻环境中收集蛋白质样品，这是另一项技术活动。在收集数据之前，研究人员使用液态乙烷将蛋白质溶液样品快速冷冻在“铜网”上。

电子显微镜数据收集的过程有点像电影的拍摄方法:在8秒内连续拍摄40张照片，形成一个“微电影”。

研究小组最终获得了两组2.9埃的高分辨率KCC1三维结构。“这项工作首先得益于近年来冷冻电子显微镜技术的发展。刘思和常胜海在蛋白质样品制备、数据收集和处理方面的经验和决心是项目进展的关键因素。”郭江涛说。

获得了KCC1的高分辨率电子显微镜结构，这将有助于下一步为KCC设计药物，为癫痫等疾病的治疗提供帮助。这篇文章的评论者说:“这项工作揭示了令人兴奋的人类运输工具的结构。”

本研究的主要工作在浙江大学完成。这项研究得到了国家自然科学基金和科技部重点研究发展计划等项目的支持。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6464/505