Nat. Commun. | 陈雷课题组发现SUR2A上的R螺旋抑制了KATP通道的激活

2023年6月17日，北京大学未来技术学院分子医学研究所、北大-清华生命科学联合中心陈雷课题组在Nature Communications杂志上发表了题为“The inhibition mechanism of the SUR2A-containing KATP channel by a regulatory helix”的论文。该研究通过解析SUR2A和SUR2B在抑制剂瑞格列奈（RPG）和不同Mg-核苷酸存在的条件下的一系列冷冻电镜结构，发现了SUR2A上存在的一段此前从未被报道过的可以抑制KATP通道的螺旋，链接见：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39379-4。

KATP (ATP敏感的钾离子通道) 的活性被细胞内ATP抑制，被Mg-ADP激活。它们可以将细胞的能量代谢水平与细胞电信号偶联[1]。KATP通道是由四个Kir6亚基及四个SUR亚基组成的异源八聚体。其中Kir6亚基形成了钾离子外流的中心孔道区[2]，SUR亚基作为调节型亚基通过结合激活剂（Mg-ADP，KATP开放剂）和抑制剂（胰岛素促泌剂）来调控通道开关[3]。SUR亚基共有三种亚型，SUR1，SUR2A和SUR2B，其中SUR2A和SUR2B是由ABCC9基因编码的不同剪接体，仅C末端42个氨基酸存在差异[1]。SUR2A在心肌和骨骼肌中发挥重要作用，SUR2B主要分布于平滑肌[2, 4]。ABCC9基因发生突变导致扩张型心肌病[5]、家族性房颤[6]、Cantu综合征[7]等疾病的发生。SUR蛋白属于ABC超家族，含有两个跨膜区（Transmembrane domain ，TMD）和两个胞内核苷酸结合结构域（Nucleotide-binding domain ，NBD）[3]，NBD二聚化促进TMD1和TMD2的靠近[8]。尽管不同的SUR亚基具有较高的序列相似性，Mg-ADP和KATP开放剂对不同亚型激活效果不同：相比于SUR1和SUR2B，SUR2A对Mg-ADP的激活响应明显较弱[9-17]。SUR2A的这种特性保证了心肌细胞在正常工作时不会导致KATP通道的激活，以避免其对心脏正常电信号的影响。陈雷课题组此前已经解析了SUR2A和SUR2B在NBD1结合Mg-ATP，NBD2结合Mg-ADP的occluded（OD）状态下的结构（SUR2OD/ATP/ADP）[18]。但这些结构并无法解释SUR2A对Mg-ADP激活作用的响应为何比其它SUR弱。

在此项研究中，陈雷课题组使用RPG抑制了SUR从Inward-facing (IF)构象向OD构象的完全转变，解析了一系列SUR2A和SUR2B在有Mg-核苷酸存在情况下的结构。研究者在NBD1和NBD2结合Mg-ATP的SUR2A（SUR2AIF/MgATP/MgATP）结构中观察到一段清晰的螺旋密度（924-942），这段螺旋与NBD1相连，结合于NBD1和NBD2之间，因此将其命名为调节螺旋（R螺旋）。R螺旋一侧通过R930和L933与NBD1上D789以及L792，L793和I806组成的疏水口袋相互作用，另一侧通过Y938，K931和R935与NBD2上结合的ATP相互作用。但研究者在NBD2结合Mg-ADP状态下的结构里（SUR2AIF/MgATP/MgADP），发现NBD产生了一定程度的相互靠近，而且未观察到R螺旋，表明Mg-ADP破坏了R螺旋与NBD的相互作用（图1）。

图1 不同核苷酸结合状态下SUR2A中R螺旋的电子密度

研究者在Mg-ATP结合状态下的SUR2B结构中同样观察到了R螺旋的密度，但其密度较差，说明其动态性较高。在NBD2结合Mg-ADP时，SUR2B主要呈现出两种构象，其中SUR2BIF/MgATP/MgADP类似于SUR2AIF/MgATP/MgADP，R螺旋密度模糊且不连续；另一种状态下SUR2BIF/MgATP/MgADP 的NBD更加相互靠近，R螺旋密度完全消失（图2）。

图2 不同核苷酸结合状态下SUR2B的构象及R螺旋的电子密度

研究者通过突变体的电生理功能实验发现：将SUR2A的R螺旋上与NBD1 和NBD2 相互作用的氨基酸突变会导致Mg-ADP对KATP通道的激活增强，说明R螺旋对KATP通道起抑制作用，这和其独特的空间位置相一致。

综上，该研究阐明了R螺旋通过抑制SUR2A的NBD二聚化来抑制KATP通道的结构机制（图3），提出了SUR2B-C42可能通过别构作用促进Mg-ADP与NBD2的结合，进一步导致R螺旋的解离和NBD二聚化以及KATP通道的激活。这项工作为进一步深入研究不同亚型KATP通道的调控机制打下了基础。

图3 R螺旋参与调节SUR2A蛋白构象变化的结构模型

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39379-4