洛克斐勒大學(xué)(Rockefeller University) Howard Hughes醫(yī)學(xué)中心以Roderick MacKinnon為首的研究小組首度發(fā)現(xiàn)電位調(diào)控型鉀離子信道(voltage-dependent Potassium channel,，簡稱Kv channel)的蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu),，并據(jù)此提出鉀離子信道感應(yīng)細(xì)胞膜電位變化而快速開關(guān)的新機(jī)制,。
    離子信道(ion channel)廣泛存在于各種細(xì)胞膜上,，是離子進(jìn)出細(xì)胞的通路。其中電位調(diào)控型離子信道(voltage-dependent ion channel)能夠感應(yīng)細(xì)胞膜電位變化而快速精準(zhǔn)地開啟或關(guān)閉,，在肌肉及神經(jīng)動作電位傳遞上至為重要,。近年來利用patch clamp等電生理實(shí)驗(yàn)技術(shù),，科學(xué)家們對于其功能與作用已有相當(dāng)深入的了解。但是過去由于缺乏來自結(jié)構(gòu)生物學(xué)的直接證據(jù),，研究人員仍未能確認(rèn)離子信道如何感應(yīng)膜電位變化而快速開關(guān)的機(jī)制,。以鉀離子信道為例，已知它是由四個次單元(subunit)所組成的蛋白質(zhì),，每個次單元由六個疏水性區(qū)段(hydrophobic segments)S1-S6構(gòu)成,，各次單元的S5-S6區(qū)段共同圍繞出供離子通過的信道壁。以往的模型認(rèn)為,，包埋在蛋白質(zhì)次單元核心部位的S4區(qū)段具有帶正電荷的arginine胺基酸,，能夠感測膜電位變化而在蛋白質(zhì)內(nèi)部小幅移動(translation)或轉(zhuǎn)動(rotation)，進(jìn)一步帶動離子信道底部的閘門控制機(jī)構(gòu)產(chǎn)生形變,，控制信道的開啟或關(guān)閉,。然而MacKinnon研究小組發(fā)表于5月1日「自然」雜志的鉀離子信道蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)卻推翻了這種推測。
    研究小組設(shè)法讓鉀離子信道蛋白結(jié)晶,，并由該結(jié)晶的X光繞射結(jié)果首度獲得其立體結(jié)構(gòu)圖像,。該立體結(jié)構(gòu)顯示，各蛋白質(zhì)次單元中,，由S3(b)與帶有四個正電荷的S4區(qū)段共同組成的電位感應(yīng)機(jī)構(gòu)(研究小組稱之"voltage-sensing paddle")并非包埋其核心內(nèi),，而是位于外圍位置并暴露于細(xì)胞膜脂質(zhì)中，能夠感應(yīng)膜電位變化在細(xì)胞膜兩個面之間大幅跳躍(flip),。當(dāng)膜電位為負(fù)時,，離子信道處于關(guān)閉狀態(tài)，voltage-sensing paddle位于細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)面(intracellular surface),。當(dāng)細(xì)胞膜發(fā)生去極化(depolarize)時,，細(xì)胞膜兩邊的電場梯度使帶正電荷的voltage-sensing paddle受力而橫越細(xì)胞膜移位至外側(cè)面(extracellular surface)位置，并使信道蛋白產(chǎn)生形變讓離子信道打開,。研究小組并且利用抗體結(jié)合到電位感測機(jī)構(gòu)以及avidin-biotin molecular rule實(shí)驗(yàn)技術(shù)為新模型提出左證,。
    蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是了解蛋白質(zhì)功能的重要媒介；結(jié)構(gòu)的獲得主要是透過蛋白質(zhì)結(jié)晶的X光繞射實(shí)驗(yàn),。然而膜蛋白卻是出了名的難結(jié)晶,，為了克服結(jié)晶的問題，研究小組利用由一種名為Aeropyrum pernix的嗜熱性古細(xì)菌(thermophilic archaebacterium)分離出來的鉀離子信道蛋白(KvAP)作為實(shí)驗(yàn)對象,。KvAP的結(jié)構(gòu)較為安定堅(jiān)固,，且其胺基酸序列與真核細(xì)胞的Kv信道蛋白高度相關(guān)，兩者也具有相同的電生理特性,。研究小組并嘗試將單株抗體結(jié)合到KvAP信道的電位感測機(jī)構(gòu)上,，使其固定并建立結(jié)晶的附著點(diǎn)。經(jīng)過五年的努力終于成功獲得鉀離子信道蛋白的結(jié)晶,，并利用X光繞射方法定出其結(jié)構(gòu),。
    在定出KvAP信道的結(jié)構(gòu)之后,，基因序列的左證使科學(xué)家們相信膜電位調(diào)控型鈉離子與鈣離子信道也有類似的電位調(diào)控機(jī)制。未來將可針對離子信道的電位感測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新的藥物,，為治療離子信道疾病(channelopathy)開啟新的方向。