科学家“看清”钾-氯共转运蛋白结构

人体细胞内的钾、钠、氯等离子稳态一旦失衡，就会导致高血压、抑郁、癫痫等一系列疾病。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，可有效调控细胞内的离子稳态。浙江大学医学院郭江涛课题组日前解析了这类蛋白质中的一个成员——人源钾-氯共转运蛋白KCC1的2.9埃的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，提出一个钾-氯共转运机理的模型，这将为相关的疾病治疗和药物设计提供新的视角。这项成果10月25日刊登在《科学》（Science）上。

浙江大学医学院博士刘斯、冷冻电镜中心博士常圣海和物理系硕士生韩斌铭为文章的共同第一作者。

一般来说，人体细胞内的钾离子浓度是高于细胞外浓度的。钾-氯共转运蛋白KCC利用这个钾离子浓度梯度，将细胞内的钾离子和氯离子一起转运至细胞外，从而调控细胞内的氯离子浓度。

氯离子浓度是一个很关键的指标。正是由于钾-氯共转运蛋白中的一个成员KCC2不停地将细胞内的钾离子和氯离子转运至细胞外，使得抑制性神经元细胞内能够维持较低的氯离子浓度。如果KCC2发生突变，抑制性神经传递就会受到破坏，从而引发各种神经系统疾病，如癫痫等。

既然KCC的功能如此重要，为何科研人员长久以来都没有揭开这个家族的面纱呢？郭江涛介绍说，这主要受限于两方面的因素。首先，钾-氯共转运蛋白的样品获得不容易。另一方面，较小分子量的膜蛋白的高分辨率结构解析一直具有挑战性，通常需要花费几年的时间，而且就算投入大量的人力和经费，最终结果也往往不理想。近年来冷冻电镜技术的发展为解析膜蛋白结构提供了便捷的途径。不过，困难依旧存在。

刘斯经过大量的蛋白表达和纯化条件的优化，最终获得足够量的可用于冷冻电镜数据收集的KCC1蛋白样品。此时，浙江大学冷冻电镜中心的300 kv的高性能冷冻电镜Titan Krios派上了大用场。

为了减少电子对蛋白的辐射损伤，蛋白样品需要在冷冻环境下进行数据收集，这又是个技术活。在数据收集前，科研人员用液态乙烷把蛋白溶液样品快速冷冻在一张“铜网”上。

电镜数据收集的过程，有点像电影的拍摄手法：在8秒的时间内连续拍摄40张照片，形成一个“微电影”。

课题组最终获得了两套2.9埃高分辨率的KCC1的三维结构。 “这项工作首先得益于近年来的冷冻电镜技术的发展；刘斯和常圣海在蛋白样品制备和数据收集处理方面的经验和决心是课题取得进展的关键因素。”郭江涛这样评价道。

获得了KCC1的高分辨率电镜结构，将有助于下一步设计针对KCC的药物，为治疗癫痫等疾病提供帮助。文章审稿人认为：“这项工作揭示了一个令人兴奋的人源转运蛋白的结构。”

这项研究的主体工作在浙江大学完成。该研究受到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划等项目的资助。

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

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