清华北大两位教授联合发表Cell：ATP敏感性钾通道结构

北京大学分子医学研究所，清华大学生命科学学院等处的研究人员发表了题为“Structure of a pancreatic ATp-Sensitive potassium Channel”的文章，报道了一个哺乳动物胰腺ATp敏感性钾通道的单粒子冷冻电子显微结构，分辨率达到了5.6 Å，为理解这一通道在多个生理进程中的作用提供了新的观点。

这一研究成果公布在1月12日的Cell杂志上，文章的通讯作者是北京大学分子医学研究所陈雷（Lei Chen）研究员，以及清华大学生命科学学院高宁（Ning Gao）研究员。这两位学者的主要研究方向分别为采用X射线晶体衍射和冷冻电镜等结构生物学手段，研究物质跨磷脂双分子层的转运机制，以及原核和真核核糖体体内组装的机制和调控以及蛋白翻译的调控机制研究。

ATp敏感性钾通道( ATp-Sensitive potassium Channel，KATp通道)是受细胞内ATp浓度调控的一种内向整流钾通道，于1983年由Noma首先在心肌细胞中发现，这种通道的活性随胞内ATp浓度的升高而受到显著抑制，能使细胞内ATp水平与膜兴奋性耦合。这些通道在许多基本生理过程中起关键作用，参与了一系列代谢性疾病。

为了深入了解KATp通道的作用机制，在最新这项研究中，研究人员通过单粒子冷冻电子显微镜，获得了与非竞争性抑制剂glibenclamide构成复合物的一个异八聚体胰腺KATp通道的结构，其分辨率达到了5.6 Å。格列本脲（glibenclamide）是一种降血糖药物，主要通过增加门静脉胰岛素水平或对肝脏直接作用，抑制肝糖原分解和糖原异生作用。

从这一结构中，研究人员发现了四个SUR1调节亚基定位在其周围，并且通过SUR1的TMD0-L0片段，结合在中心Kir6.2通道四聚体上。glibenclamide绑定的SUR1利用TMD0-L0片段稳定处于闭合构象的Kir6.2通道。此外在另一个结构中，磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（pIp2）能将glibenclamide结合SUR1的Kir6.2通道解偶联。

这些结构研究指出了KATp通道的一条重要调控分子机制，即通过降血糖药物glibenclamide，细胞内腺苷核苷酸浓度以及pIp2脂质共同完成的调控分子机制。

陈雷研究员早年从事AMpK调控分子机制的研究，博士后期间从事AMpA受体激活机制的研究。目前实验室致力于研究蛋白质，特别是细胞膜整合蛋白的工作机制。膜蛋白具有重要的生理功能：包括但不局限于物质转运、信号转导、催化反应等。深入理解膜蛋白工作机制对于我们理解生命过程、增进人类健康都有着重要意义。陈雷实验室当前的主要研究方向为与人类健康紧密相关的离子通道门控机制。比如ATp敏感的钾离子通道KATp。该通道是位于细胞膜上的能量感受器，它可以偶联细胞代谢水平和细胞膜兴奋性，并在胰岛细胞中控制胰岛素释放。

（生物通：万纹）

作者简介：

陈雷 研究员
ph.D. , 博士生导师
结构生物学实验室主任
北大清华生命科学联合中心研究员

2001-2005就读于清华大学生物科学与技术系，获理学学士学位；2005-2010年就读于清华大学生命科学学院，获理学博士学位。2010-2016在美国俄勒冈健康与科学大学沃勒姆研究所从事博士后研究，于2016年任北京大学分子医学研究所结构生物学研究室主任，北大清华生命科学联合中心研究员。2016年入选“青年****”。
早年从事AMpK调控分子机制的研究，博士后期间从事AMpA受体激活机制的研究。目前实验室主要致力于以结构生物学手段为主、生物化学和电生理手段为辅研究细胞膜整合蛋白的工作机制。

高宁
研究员，博士生导师
2000 学士 北京大学生物化学及分子生物学系
2006 博士 纽约州立大学Albany分校生物医学
2006-2008 博士后 Howard Hughes Medical Institute, Wadsworth Center, and Columbia University Medical Center
2008年11月--至今 研究员 清华大学生命科学学院

主要研究领域与方向
运用冷冻电镜三维重构技术和生物化学及分子生物学手段进行生物大分子复合物的结构与功能研究。实验室现有的工作重点包括原核和真核核糖体体内组装的机制和调控以及蛋白翻译的调控机制研究。

原文摘要：

Structure of a pancreatic ATp-Sensitive potassium Channel

ATp-sensitive potassium channels (KATp) couple intracellular ATp levels with membrane excitability. These channels play crucial roles in many essential physiological processes and have been implicated extensively in a spectrum of metabolic diseases and disorders. To gain insight into the mechanism of KATp, we elucidated the structure of a hetero-octameric pancreatic KATp channel in complex with a non-competitive inhibitor glibenclamide by single-particle cryoelectron microscopy to 5.6-Å resolution. The structure shows that four SUR1 regulatory subunits locate peripherally and dock onto the central Kir6.2 channel tetramer through the SUR1 TMD0-L0 fragment. Glibenclamide-bound SUR1 uses TMD0-L0 fragment to stabilize Kir6.2 channel in a closed conformation. In another structural population, a putative co-purified phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (pIp2) molecule uncouples Kir6.2 from glibenclamide-bound SUR1. These structural observations suggest a molecular mechanism for KATp regulation by anti-diabetic sulfonylurea drugs, intracellular adenosine nucleotide concentrations, and pIp2 lipid.