設(shè)計(jì)響應(yīng)環(huán)境信號(hào)的離子通道對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞活性和傳感器發(fā)展具有重要意義，但由于設(shè)計(jì)刺激誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的復(fù)雜性，它仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

2025年10月16日，西湖大學(xué)盧培龍、李波、黃晶共同通訊在Cell在線發(fā)表題為“De novodesigned voltage-gated anion channels suppress neuron firing”的研究論文，該研究報(bào)告了電壓門控陰離子通道的精確從頭設(shè)計(jì)，即dVGACs。

該研究表明，dVGACs采用15螺旋五聚體結(jié)構(gòu)，以跨膜范圍內(nèi)的精氨酸收縮為特征，并在膜片鉗實(shí)驗(yàn)中顯示電壓依賴性陰離子電流。dVGACs的cryo-EM結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型非常一致。Cryo-EM結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，精氨酸收縮經(jīng)歷了電壓誘導(dǎo)的構(gòu)象變化，如設(shè)計(jì)的那樣充當(dāng)電壓傳感器和選擇性過濾器。值得注意的是，dVGACs的陰離子選擇性和電壓敏感性可以通過靶向突變來調(diào)節(jié)，以抑制原位神經(jīng)元放電。創(chuàng)建具有定制設(shè)計(jì)構(gòu)象變化的離子通道的能力刷新了人們對(duì)膜生物物理學(xué)的見解，并揭示了各種潛在的應(yīng)用。

跨膜蛋白促進(jìn)離子和代謝物的交換，從而促進(jìn)信息穿過細(xì)胞膜，從而使細(xì)胞能夠更有效地適應(yīng)周圍環(huán)境。盡管在設(shè)計(jì)Zn2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、穩(wěn)定的跨膜蛋白支架、配體結(jié)合跨膜蛋白和跨膜孔方面取得了進(jìn)展，但通過誘導(dǎo)構(gòu)象變化對(duì)刺激做出特異性反應(yīng)的跨膜蛋白的從頭設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。具體而言，電壓門控離子通道的從頭設(shè)計(jì)—能夠檢測(cè)特定的膜電位和控制細(xì)胞活動(dòng)—仍然是一個(gè)有待克服的巨大挑戰(zhàn)。

電壓門控離子通道使細(xì)胞能夠形成電信號(hào)，這對(duì)于神經(jīng)元、肌肉、胰腺β細(xì)胞和特定類型的免疫細(xì)胞等可興奮細(xì)胞的功能至關(guān)重要。電壓門控鈉、鉀和鈣通道具有相似的整體架構(gòu)，由四個(gè)包含中央孔域的電壓感應(yīng)域(VSD)組成。VSD的第四個(gè)螺旋(S4)包含一系列帶正電荷的殘基，充當(dāng)負(fù)責(zé)電壓感應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)元件。跨膜電勢(shì)的變化誘導(dǎo)S4螺旋相對(duì)于蛋白質(zhì)其余部分的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致構(gòu)象變化，促進(jìn)通道門控。電壓門控氯離子通道(CLC通道)的結(jié)構(gòu)不同于電壓門控陽(yáng)離子通道的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，而是類似于Cl/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。

機(jī)理模式圖（圖源自Cell）

為了從頭開始設(shè)計(jì)電壓門控離子通道，必須解決四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，至關(guān)重要的是將帶電殘基納入電壓傳感的跨膜范圍，這一概念來自天然存在的電壓門控離子通道。然而，當(dāng)這些帶電荷的殘基被包埋在膜中或蛋白質(zhì)核心中時(shí)，這種摻入引入了顯著的溶劑化能量消耗。這些帶電荷的殘余物必須被反電荷的殘余物平衡，或者使溶劑可接近。其次，必須考慮帶電門控殘基中發(fā)生的構(gòu)象變化，以及暴露于不同膜電位時(shí)門控電荷和蛋白質(zhì)其他區(qū)域之間的相互作用。第三，理想地，設(shè)計(jì)者通道的離子選擇性和電壓敏感性可以通過突變改變離子傳導(dǎo)途徑來調(diào)節(jié)。這個(gè)過程需要對(duì)離子通道的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系有一個(gè)全面的了解。最后，有必要確保核心殘基被很好地包裝，以穩(wěn)定通道結(jié)構(gòu)，并允許膜中的水可進(jìn)入的孔，同時(shí)最小化與脂質(zhì)或面向脂質(zhì)的殘基的非特異性疏水相互作用。

在這里，研究人員報(bào)告了電壓門控陰離子通道的從頭設(shè)計(jì)，稱為dVGACs。與天然離子通道不同，dVGACs結(jié)合了精氨酸(Arg)收縮，既作為電壓傳感器又作為陰離子選擇性過濾器，Arg側(cè)鏈能夠經(jīng)歷電壓驅(qū)動(dòng)的構(gòu)象變化。dVGACs的高分辨率cryoEM結(jié)構(gòu)顯示與其計(jì)算設(shè)計(jì)模型非常一致。值得注意的是，dVGACs的電壓敏感性和離子選擇性是可調(diào)的，并且變體dVGAC1.0在體內(nèi)表達(dá)時(shí)顯著抑制神經(jīng)元放電率。該發(fā)現(xiàn)為開發(fā)能夠響應(yīng)特定環(huán)境線索和調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)的跨膜通道鋪平了道路。該成果不僅表明科學(xué)家已具備從頭設(shè)計(jì)具有“動(dòng)態(tài)開關(guān)”功能的跨膜蛋白的能力，更證明此類人工蛋白可在活體動(dòng)物中發(fā)揮生理作用，標(biāo)志著 AI 驅(qū)動(dòng)的生物分子設(shè)計(jì)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

參考信息：

hhttps://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01091-8