Cell｜挑战传统离子通道分类：K+通道辅助亚单位KCNE1新功能
BioArt生物艺术2021-01-01 14:13
撰文 | 十一月
责编 | 兮
想要对人类病理生理学的基因变异进行研究，首先要确定蛋白质复合物的亚单位组成的特异性。K+电压门控离子通道蛋白的孔形成亚基KCNQ1属于钾离子通道超家族，与其β辅助亚基KCNE1联合产生缓慢的心脏钾离子电流，K+离子通道功能障碍会导致心率失常。一直以来，KCNE1的功能都被认为是只与K+通道相关，但是否的确如此呢？
为了进一步揭开KCNE1的功能，2020年12月28日，法国Universite Cote d’Azur大学Guillaume Sandoz研究组发文题为KCNE1 is an auxiliary subunit of two distinct ion channel superfamilies，发现了KCNE1不只作为K+离子通道，还可以作为氯离子通道的新证据。
KCNE1是一个只有129个氨基酸的蛋白，具有一个短的疏水跨膜结构域【1】。当注射进入爪蟾卵细胞中时，KCNE1会产生缓慢激活的K+离子电流【1】。所以一直以来，KCNE1被认为可以编码K+离子通道的最小蛋白。但是在一些哺乳动物细胞系中，单独表达KCNE1并不能引发电流的产生【2】。这一谜题一直到KCNQ1 K+离子通道被发现才被揭开【3,4】。KCNE1本身并不具有离子通道活性，因此是作为辅助β亚基发挥作用的。除了会引发K+离子电流，KCNE1 cDNA的注射还曾经被发现会引起Cl-离子电流【5】，但是具体的分子机制并不清楚。Ca2+激活的Cl-离子通道（Ca2+-activated Cl-channels，CaCCs）蛋白家族中TMEM16A被证明是具有完整功能的CaCCs，也是该家族首个被克隆出来的成员【6-8】。但是目前为止，TMEM16A作为爪蟾卵细胞中主要的Cl-通道蛋白，但是该通道蛋白的辅助β亚基还未被鉴定出来。由于KCNE1在爪蟾卵细胞中的高表达以及对Cl-离子电流的引发作用，作者们想知道KCNE1是否与TMEM16A之间存在联系。
为了揭开这一问题的答案，作者们首先在内源不表达KCNE1以及TMEM16A的细胞中对KCNE1与TMEM16A进行了共表达，发现这两种蛋白质的共表达会诱导电压依赖性电流的产生（图1）。而且作者们惊奇地发现，在加入Ca2+离子螯合剂后，并不会影响TMEM16A-KCNE1复合物引发的电压依赖性电流。该结果说明KCNE1将TMEM16A从一个钙离子依赖的离子通道变成了一个电压依赖的Cl-离子通道。
图1 KCNE1与TMEM16A共表达引发电流产生那么KCNE1对于TMEM16A的调节作用是如何实现的呢？作者们对两蛋白之间的相互作用进行了检测。通过单分子pull-down实验（SiMPull assay【9】），作者们发现KCNE1与TMEM16A之间存在相互作用，而且相互作用的比例是2α：2β的化学计量。另外，通多对KCNE家族的其他成员进行分析后发现，不仅KCNE1还有其他的成员也能对TMEM16A的起到调节作用。
进一步地，作者们在包括肾近端曲小管细胞在内的体内系统中对KCNE1-TMEM16A在电压依赖的Cl-离子电流的诱导产生过程进行了确认。结果说明不仅仅是在体外系统，在体内的组织中KCNE1对TMEM16A也具有调节作用。除此之外，作者们对KCNE1中与TMEM16A调节起到关键作用的基序进行了鉴定，发现KCNE1的N端尤其是一个13氨基酸的基序对于TMEM16A的调节非常关键。在该区域存在KCNE1的病理相关的氨基酸多态性，而这种氨基酸多态性会影响与TMEM16A的相互作用从而抑制Cl-电流。
总的来说，上述工作将把一直以来被认为是K+通道蛋白辅助亚基的KCNE1的功能进行了拓展，发现虽然KCNE1本身并不具有离子通道的活性，但是可以作为CaCC家族TMEM16A的β亚基发挥作用，而且会促进TMEM16A由一个Ca2+依赖的Cl-离子通道变成一个电压依赖的离子通道。该发现对现有的传统离子通道分类发起了挑战，为进一步丰富大家对于离子通道家族的认识提供了新的证据，并为离子通道相关的疾病提供了新的见解。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.047
参考文献
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2. Lesage, F. et al. Are Xenopus oocytes unique in displaying functional IsK channel heterologous expression? Receptors & channels1, 143-152 (1993).
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4.Barhanin, J. et al. K(V)LQT1 and lsK (minK) proteins associate to form the I(Ks) cardiac potassium current. Nature384, 78-80, doi:10.1038/384078a0 (1996).
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6.Schroeder, B. C., Cheng, T., Jan, Y. N. & Jan, L. Y. Expression cloning of TMEM16A as a calcium-activated chloride channel subunit. Cell134, 1019-1029, doi:10.1016/j.cell.2008.09.003 (2008).
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9.Jain, A. et al. Probing cellular protein complexes using single-molecule pull-down. Nature 473, 484-488, doi:10.1038/nature10016 (2011).
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