KCNQ亚基相互作用研究进展 - 北京大学医学部

KCNQ钾离子通道亚基相互作用研究进展许文北京大学神经生物学系、神经科学研究所 90205105摘要M型通道是最早发现的同人类疾病有关的钾离子通道之一。

生理状态下M型通道可以稳定膜电位，调节细胞兴奋性。

而KCNQ钾离子通道亚基很可能是M型电流的分子基础。

KCNQ 亚基C端对于多聚体通道的形成起到很重要的作用，但是具体作用机制尚不清楚。

有一些KCNQ基因突变位点位于其C端，这些突变可能是影响KCNQ通道亚基相互作用而导致发病的，同时这一段序列也有可能成为新的药物治疗靶点。

关键词：KCNQ C端相互作用 coiled-coilM通道是最早发现的同人类疾病有关的钾离子通道之一(Brown and Adams, 1980)，它也是目前的研究热点。

M通道在动物体内有广泛的分布，他们在细胞膜电位以及电兴奋性的控制和调节，神经递质的释放控制，动作电位的波形和发放方式，并且在学习记忆、行为、感觉中起到至关重要的作用。

(Jan and Jan, 1997)由于KCNQ钾离子通道家族组成的钾离子通道具有缓慢激活和非失活的特点，与M型电流特点相同(Brown and Adams, 1980)，所以目前认为KCNQ钾离子通道是M电流的主要分子基础。

目前已知的KCNQ钾离子通道家族的基因共有五个，依照发现顺序分别命名为KCNQ1-5（Kv7.1-7.5）。

同钠离子通道或钙离子通道由一个蛋白质分子在膜上折叠形成离子通道的方式不同，钾离子通道都是由四个亚基组装成为一个中央为选择性的孔道的多聚体完整的离子通道(Robbins, 2001)。

KCNQ家族的五个成员都可以和自身形成完整的离子通道。

同时，KCNQ3，作为一个特殊的成员，可以同除了KCNQ1以外的另外的成员形成异源多聚体形式的离子通道(Robbins, 2001; Schroeder et al., 2000)。

KCNQ1正好相反，它可以和KCNE等β亚基结合形成有功能的通道，但是不能同其它的任何的本家族的分子组装成离子通道(Robbins, 2001)。

KCNQ钾离子通道分布及功能他们在体内的分布不尽相同，起到各自不同的生理作用。

KCNQ1是第一个被发现的KCNQ家族的基因，主要表达在心脏内，KCNQ1基因的突变同心律失常的发生有很大关系。

KCNQ1同KCNE1有共表达，共同形成外向型的I ks电流。

KCNQ1的突变会导致L-QT综合症(Huang et al., 2001; Schmitt et al., 2000; Smith et al., 2001; Tyson et al., 2000)。

当KCNQ1发生突变形成隐性遗传的L-QT综合症—Jervell and Lange-Nielsen综合症(Ning et al., 2003; Schmitt et al., 2000)的时候，同样会导致先天性耳聋(Romey et al., 1997)，表明KCNQ1在内耳有分布，而且对于内耳的离子平衡维持方面有重要的作用(Robbins, 2001)。

KCNQ2和KCNQ3均在脑内高表达，他们同KCNQ1序列有40%同源性(Smith et al., 2001)，它们的突变同良性家族性新生儿惊厥(Jentsch, 2002; Lerche et al., 2005; Robbins, 2001)。

KCNQ2和KCNQ3组成的多聚体离子通道，可能是神经系统中M型电流的分子基础(Robbins, 2001; Smith et al., 2001; Wang et al., 1998a) 。

KCNQ4在耳蜗的外毛细胞（outer hair cells，OHCs）以及前庭的一型毛细胞中有高表达(Robbins, 2001)。

它的突变可以导致神经性耳聋(Smith et al., 2001)，但是也有证据显示，生理状态下的毛细胞的钾离子电流同KCNQ4的电流在药理学电生理学上有较大差异(Robbins, 2001)，提示可能KCNQ4是同其他的同道亚基如KCNQ3（见下文），或者是调节亚基有相互作用，对其电流进行了修饰。

KCNQ5是2000年Kananura等人发现(Kananura et al., 2000)，高表达与脑和骨骼肌细胞，它的突变可能同视网膜病变相关(Cooper, 2001; Robbins, 2001; Smith et al., 2001)。

有关KCNQ基因突变的致病机理目前并不是很清楚，但是目前已知的一些致病突变就位于通道组装有关的区域内或者附近或者发生移码突变导致(Chtistian Biervert, 1999; W. L. Lee, 2000)，他们的致病机理很可能同通道的组装有关系。

KCNQ1的相互作用结构基础从KCNQ亚基的结构来看，可以将一个KCNQ蛋白质分子线性的分为三个区域，即N 端，跨膜区和C端，其中跨膜区包括S1~S6六个跨膜α螺旋结构，以及S5和S6间的P区（即pore，孔区）。

同Kv4等其他的钾离子通道相比，KCNQ家族成员的C端很长，而且变异性很大，但是N端则相对较保守(Robbins, 2001)。

这提示我们，C端可能对于KCNQ的功能有很重要的作用。

由于KCNQ1具有只能组装成为同源性多聚体的特点，其通道组成相对简单，亚基组成成分了解的相对清楚(Wang et al., 1998b)，研究起来相对容易，所以这也可能可以作为一个研究KCNQ家族的通道组装的一个突破口。

其他的钾离子通道，如Kv4家族，他们的N端，而不是C端(Neyroud et al., 2002)，存在着T1结构域(Huayi Wang and Quan Hao, 2007; Leo A. Kim et al., 2004)，这是这个家族亚基间相互结合结构基础。

同样都是电压依赖性的钾离子通道，我们是不是可以设想，KCNQ 离子通道亚基之间也会通过类似的同源的结构域介导它们之间的组装呢？分别在1996和1997年，Sanguinetti和Chouabe等人的工作证实，有两种不同的KCNQ1的开放阅读框架，除了前107个氨基酸序列是不一样的以外，自此以后的氨基酸序列都是相同的(Chouabe et al., 1997; Sanguinetti et al., 1996)，但是这两个不同读码框翻译出的蛋白质都与wtKCNQ1有同样的功能，并且有相同的电生理特点。

这提示我们，同通道组装密切相关的区域不会存在在这个区域。

但是将前127个氨基酸去掉将不会生成有功能的KCNQ1的离子通道。

(Chouabe et al., 1997; Demolombe et al., 1998; Sanguinetti et al., 1996; Schmitt et al., 2000)。

由于以上的这些原因，我们把目光从N端—其他的电压以依赖性的钾离子通道的T1所在的位置—转移到了KCNQ1的C端。

基本上将KCNQ1的相互作用关键区域锁定在了511-620这一段上，这一段也是在所有现在已知的KCNQ家族成员中具有较高同源性的一段结构域(Schmitt et al., 2000)。

已经有凝胶过滤的实验证据证实这一段序列是可以自身结合在一起的(Howard et al., 2007)。

MinK，又称之为KCNE1(Kurokawa et al., 2001; Robbins, 2001)，可以同KCNQ1组装成为一个离子通道(Romey et al., 1997; Wang et al., 1998b)，使KCNQ1的电流有4倍左右的增加(Romey et al., 1997)。

但是综合效应是使KCNQ1的电流增大了(Romey et al., 1997)。

不难想象，这种结合的作用位点是同MinK对KCNQ1的调节方式有直接关系的，还观察到Mink 的结合不会导致KCNQ1的TEA敏感性改变(Kurokawa et al., 2001)，表明Mink不是通过影响通道对于抑制剂的敏感性起作用的。

其机制尚未完全清楚。

KCNQ1于钙调蛋白（Calmudulin，Cam）相结合并且受其调节(Shapiro, 2003)。

在KCNQ1的C端存在着两个可能的Cam的结合结构域，虽然知道KCNQ1 只能同一个Cam结合，但是可能两个结构域都起到了作用(Ghosh et al., 2006)。

具体的作用方式有待于进一步的谈讨。

有几个L-QT突变位于这两个Cam结合区域，很可能是其致病的原因(Ghosh et al., 2006)。

KCNQs的多聚体的形成结构基础的KCNQs分布和组装关系由表一，目前知道KCNQ3可以和除了KCNQ1亚基以外的其他成员（包括自己）形成多聚体，并且对于其他的亚基的同源多聚体的通道电流来说，有KCNQ3参与通道形成之后电流强度都会大幅度的增加。

KCNQ2和KNQ3在新皮层和海马这两个部位有广泛的共同表达(Cooper, 2001; Yus-Najera et al., 2003)。

使KCNQ2+KCNQ3异源性共表达，电流会增大到KCNQ2电流的约10倍(Schwake et al., 2006; Wang et al., 1998a)，其作用机制目前还不是十分清楚，可能同细胞膜上离子通道的密度有关，但是也有研究认为可能同离子通道孔区的相互作用有关(Etxeberria et al., 2004)。

表一：KCNQ亚基组装关系。

基因KCNQ1 KCNQ2 KCNQ3 KCNQ4 KCNQ5组装关系不同其他亚基组装a KCNQ3b KCNQ2bKCNQ4cKCNQ5dKCNQ3c KCNQ3da,(Howard et al., 2007)， b,(Wang et al., 1998a), c,(Kubisch et al., 1999)， d, (Schroeder et al., 2000; Yus-Najera et al., 2003)由表一我们可以看出来，KCNQ亚基之间的组装是有特异性的，如KCNQ1不与其它亚基作用的成员，但是KCNQ3可以和多种亚基相互作用，而KCNQ2，4，5三个成员互相之间有不相互作用。

下面将就其结构基础做一详细说明。

C端在相互作用中起到主要作用Maljevic等人在2003年的工作证明KCNQ2和KCNQ3是通过C端的结构相互作用并且组装成为有功能的钾离子通道的(Maljevic et al., 2003)。

同KCNQ1的组装研究类似，在KCNQ其他成员的C端也存在一个在各个亚基之间同源性较高的区域，被称为A-domain(Schwake et al., 2000)。

当发生的插入突变的时候会产生一个被截断了的KCNQ2(Biervert et al., 1998)，就会将这个A-domain去除掉，Schwake等人认为这个结构域就像KCNQ1的Cad（C-terminal assembly domain）结构域一样具有装配KCNQ2和KCNQ3的作用。