ATP敏感钾离子通道（KATP）是由Kir6亚基和SUR亚基组成的异源八聚体，可被细胞内ATP抑制，Mg-ADP激活1。KATP通道在脑、胰岛和肌肉等组织中广泛表达，通过感受细胞代谢水平调节生理功能。KATP通道基因突变可导致新生儿糖尿病、先天性高胰岛素血症2、扩张性型心肌病3和坎图综合征4,5等一系列疾病，以KATP通道为靶点的多种药物小分子已批准应用于临床，用于治疗疾病。
KATP开放剂（KCO）是一类在Mg-ATP或Mg-ADP存在下可激活KATP通道的小分子。KATP通道的开放使质膜超极化，降低细胞的兴奋性，并抑制细胞内钙信号传导6。根据SUR亚基选择性，KCO可分为三类：SUR1特异性开放剂，如NN414（替芬那嗪）；SUR2特异性开放剂，如 P1075 和 levcromakalim (Lev)；以及非选择性开放剂，如二氮嗪。二氮嗪能激活胰岛KATP通道，可用于阻断胰岛素分泌，提高血糖水平以治疗低血糖症。SUR2特异性开放剂可松弛血管平滑肌，也被称为“血管扩张剂”，在临床中应用于治疗高血压、心绞痛和心律失常等心血管疾病6。这些药物兼有促进毛发生长的作用，广泛地用于治疗脱发，如OTC米诺地尔等。此外，SUR2特异性开放剂在其他组织疾病的临床治疗应用中也显示出前景，包括支气管扩张、膀胱松弛、癫痫和青光眼等7。然而，这些血管扩张剂是如何结合并激活KATP通道却仍然未知。
2022年5月13日，北京大学未来技术学院分子医学研究所、生命科学联合中心、国家生物医学成像中心陈雷研究组在Nature Communications杂志发表了题为“Structural identification of vasodilator binding sites on the SUR2 subunit”的论文。该研究解析了SUR2与两种血管扩张剂(P1075和Lev)复合物的高分辨结构，揭示了这类小分子药物与SUR2的相互作用模式。链接见：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30428-y。
图1：KCO与SUR2复合体结构
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根据复合体结构，陈雷研究组发现KCO的结合位点（即命名为KCOS），位于SUR2亚基的跨膜螺旋之间（TM10、TM11、TM12、TM14和TM17）。P1075和Lev结合在SUR2相同位置上，这与P1075、尼可地尔和二氮嗪在SUR2B上竞争性结合行为一致8。
图2：KATP通道开放剂P1075和Lev结合位点
此外，药物复合体结构揭示了SUR2选择性KCO的结构和活性的关系。P1075 是吡那地尔的类似物，对SUR2亚基具有高亲和力。P1075的二甲基丙基替换了吡那地尔的三甲基丙基，使得P1075与由I545、V548、V579和I1004形成的疏水口袋相互作用更强进而显著提高药物激活效果9。作者通过突变实验进一步证明，SUR2的I1004和T1253对于P1075和Lev的激活效果都很重要，将氨基酸突变为SUR1上对应的残基（I1004L 和 T1253M）导致药物激活效果减弱。在Mg-ADP与SUR2的NBD2结合后NBD的二聚化，进而引起TMD1和TMD2的闭合。KATP开放剂与TMD1和TMD2相互作用，促进TMD进入闭合状态，表明Mg核苷酸和KATP开放剂在激活KATP通道时存在正协同作用10,11。
图3：KCO激活SUR2 的模型
此前对胰岛KATP（SUR1-Kir6.2）的结构研究表明：SUR1的NBD二聚化构象与KATP通道激活相关12-15，而SUR1的NBD分离的朝内构象与KATP抑制相关13,16-18。本研究工作发现含有SUR2的KATP通道具有类似的现象，表明SUR1型和SUR2型KATP通道有共同激活机制。该研究为设计和优化KATP开放剂用于治疗相关疾病打下了基础。
本项研究的第一作者为北京大学前沿交叉学科研究院CLS项目博士研究生丁典，陈雷研究员为通讯作者，博士后吴惊香参与了数据收集。晶泰科技的段新丽，马松龄和赖力鹏完成了包括分子动力学模拟在内的计算过程。本工作获得国家自然科学基金委、生命科学联合中心以及北京大学李革-赵宁生命科学青年研究基金的经费支持。该工作冷冻电镜样品制备、筛选和采集在北京大学冷冻电镜平台和北京大学电镜室完成，得到了李雪梅、郭振玺、秦昌东、邵博、裴霞和王国鹏等人的帮助。该项目的数据处理获得了北京大学CLS计算平台及未名超算平台的硬件和技术支持。
PI简历
陈雷
北京大学未来技术学院研究员
北大-清华生命科学联合中心PI
邮箱：
chenlei2016@pku.edu.cn
“
实验室主页：
https://www.imm.pku.edu.cn/kytd/rcdw/34142.htm
研究领域：通过综合使用结构生物学、电生理、生物化学手段研究药物靶点蛋白的工作机制。研究对象主要是与代谢类疾病和心血管疾病相关的膜蛋白。
代表性研究成果：
1. Guo,W., Tang, Q., Wei, M., Kang, Y., Wu, J. X., and Chen, L. (2022) Structural mechanism of human TRPC3 and TRPC6 channel regulation by their intracellular calcium-binding sites, Neuron.
2. Niu, Y., Liu, R., Guan, C., Zhang, Y., Chen, Z., Hoerer, S., Nar, H., and Chen, L. (2021) Structural basis of inhibition of the human SGLT2-MAP17 glucose transporter, Nature 601, 280-284.
3. Liu, R., Kang, Y., and Chen, L. (2021) Activation mechanism of human soluble guanylate cyclase by stimulators and activators, Nat Commun 12, 5492.
4. Wu, J. X., Liu, R., Song, K., and Chen, L. (2021) Structures of human dual oxidase 1 complex in low-calcium and high-calcium states, Nat Commun 12, 155.
5. Guan, C., Niu, Y., Chen, S. C., Kang, Y., Wu, J. X., Nishi, K., Chang, C. C. Y., Chang, T. Y., Luo, T., and Chen, L. (2020) Structural insights into the inhibition mechanism of human sterol O-acyltransferase 1 by a competitive inhibitor, Nat Commun 11, 2478.
6. Kang, Y., Wu, J. X., and Chen, L. (2020) Structure of voltage-modulatedsodium-selective NALCN-FAM155A channel complex, Nat Commun 11, 6199.
7. Kang, Y., Liu, R., Wu, J. X., and Chen, L. (2019) Structural insights into the mechanism of human soluble guanylate cyclase, Nature 574, 206-210.
8. Zhang, M., Wang, D., Kang, Y., Wu, J. X., Yao, F., Pan, C., Yan, Z., Song, C., and Chen, L. (2018) Structure of the mechanosensitive OSCA channels, Nat. Struct. Mol. Biol. 25, 850-858.
9. Tang, Q., Guo, W., Zheng, L., Wu, J. X., Liu, M., Zhou, X., Zhang, X., and Chen, L. (2018) Structure of the receptor-activated human TRPC6 and TRPC3 ion channels,Cell Res. 28, 746-755.
10. Li, N., Wu, J. X., Ding, D., Cheng, J., Gao, N., and Chen, L. (2017) Structure of a Pancreatic ATP-Sensitive Potassium Channel, Cell 168, 101-110 e110.
参考文献
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3. Bienengraeber, M. et al. ABCC9 mutations identified in human dilated cardiomyopathy disrupt catalytic KATP channel gating. Nat. Genet. 36, 382-387, doi:10.1038/ng1329 (2004).
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15. Zhao, C. & MacKinnon, R. Molecular structure of an open human KATP channel. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 118, doi:10.1073/pnas.2112267118(2021).
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17. Martin, G. M. et al. Cryo-EM structure of the ATP-sensitive potassium channel illuminates mechanisms of assembly and gating. Elife 6, doi:10.7554/eLife.24149 (2017).
18. Ding, D., Wang, M., Wu, J. X., Kang, Y. & Chen, L. The Structural Basis for the Binding of Repaglinide to the Pancreatic KATP Channel. Cell Rep 27, 1848-1857e1844, doi:10.1016/j.celrep.2019.04.050 (2019).
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