6月6日，上海科技大学生命科学与技术学院盖景鹏课题组联合中国科学院上海药物研究所高召兵课题组、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心于杰课题组及北京大学宋晨课题组，在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表研究论文。首次报道了异源内向整流钾通道Kir4.1/5.1在无配体及多种阻滞分子结合状态下的高分辨率结构，提出并验证了多胺和通道阻滞剂介导的“内环阻塞（inner-ring blockage）”整流新机制。
内向整流钾离子（Kir）通道通过调控细胞膜电位和钾离子转运，参与神经信号传导、心率、胰岛素释放、听觉和肾脏功能等重要生理过程。其中，Kir4.1（由KCNJ10编码）和Kir5.1（由KCNJ16编码）属于K⁺转运型Kir通道，主要表达于脑、肾脏和内耳，可组装形成Kir4.1/5.1异源四聚体。与同源Kir4.1通道相比，Kir4.1/5.1具有更大的单通道电导、更强的内向整流、更高的pH敏感性及多样的胞内调控特征。KCNJ10突变会导致EAST/SeSAME综合征，患者可出现癫痫、共济失调、感音神经性耳聋和肾脏盐耗损等症状；Kir5.1功能异常也表现出部分重叠但不同的疾病谱。尽管已有长达近80年的研究，特别是1949年内向整流钾离子通道电流的鉴定以及20世纪90年代确立的以细胞内Mg²⁺和多胺的电压依赖性阻塞作为主要的内向整流机制模型，多胺如何在孔道中结合并实现阻塞仍长期缺乏直接结构证据。
图1. Kir4.1/5.1异源四聚体的整体结构及精胺、VU0134992、EHop-016结合位点示意。
本研究解析了Kir4.1/5.1在无配体（apo），以及多种阻滞分子结合状态改下的三维结构，包括精胺（spermine）、已报道抑制剂VU0134992和本研究中新鉴定抑制剂EHop-016。结果显示，Kir4.1/5.1由两个Kir4.1亚基和两个Kir5.1亚基以相对交替方式组装成2:2异源四聚体（图1 a,b）。研究进一步发现，两个精胺分子、两个通道阻滞剂VU0134992分子，或一个EHop-016分子，均结合于跨膜区中央腔上部，并以平行于细胞膜的取向横向占据离子通路（图1 c-f）。EHop-016是研究中新鉴定出的Kir4.1/5.1抑制剂，为具有抗癌活性的Rac GTPase抑制剂；电生理结果显示，其对Kir4.1和Kir4.1/5.1的IC50s分别为0.80 ± 0.05 μM和3.20 ± 0.18 μM，阻断活性强于VU0134992。
图2. 多胺和通道阻滞剂介导的“内环阻塞（inner-ring blockage）”模型。
不同于传统上认为长链多胺沿孔道轴向进入并被“陷获”的想象，这些结构显示阻滞分子在中央腔上部呈膜面平行取向，像一道横向“内环”阻断离子通路。突变、电生理和分子动力学结果进一步表明，Kir4.1的E158等位于中央腔上部的关键残基参与精胺和阻滞剂结合，并影响内向整流和药物敏感性。基于结构、分子动态模拟和电生理功能分析，团队提出了解释Kir通道内向整流机制的“内环阻塞”田径场模型（图2）：两个长度约15 Å的精胺或VU0134992分子可交错占据类似“4×100米接力”跑道中的第2棒和第4棒位置（图1 c,d），VU0134992还可呈另一取向占据第1棒和第3棒位置（图1 e）；而长度约19 Å、体积更大的EHop-016则以单分子形式形成“U形环状阻塞”占据“田径场”内侧，将孔径压缩至约0.5 Å（图1 f）。该研究在原子层面捕获了Kir4.1/5.1与天然多胺及不同化学类型阻滞剂的结合方式，解释了异源Kir4.1/5.1较强内向整流的部分结构基础，也将经典的“空腔捕获（cavity trapping）”或“深部整流”模型推进到更具体的多位点相互作用图景。相关发现为理解EAST/SeSAME综合征等Kir通道相关疾病机制，以及面向Kir通道上部中央腔的结构导向药物设计提供了新的框架。
上海科技大学生命科学与技术学院博士研究生宁莹洁、中国科学院上海药物研究所副研究员周晓宇、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生张一敏、北京大学博士后陈楠浩以及中国科学院上海药物研究所博士研究生郭倩蓓为论文共同第一作者；上海科技大学生命科学与技术学院盖景鹏教授、中国科学院上海药物研究所高召兵研究员、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心于杰研究员、北京大学宋晨课题组陈楠浩博士为共同通讯作者。四川大学华西医院泌尿外科研究所杨冬雪研究员为该论文提供了重要帮助。上海科技大学为第一完成单位。
论文标题：Cryo-EM Structures of Heteromeric Kir4.1/5.1 Channel Suggest Mechanisms of Inward Rectification and Channel Blockage
论文链接：DOI: 10.1038/s41467-026-74087-9
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