GORK钾离子通道结构与门控机制解析：为气孔工程提供关键靶点

本研究通过冷冻电镜技术解析了拟南芥GORK钾离子通道的精细结构，揭示了其独特的电压依赖性和K+敏感性门控机制。研究人员发现CNBHD（环核苷酸结合同源结构域）与电压传感器（VSD）间的动态耦合位点，通过功能实验验证了E317/D321等关键残基对通道活性的调控作用。该研究为优化植物气孔运动、提高水分利用效率提供了分子设计新策略，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

植物通过气孔这个微米级的“智能阀门”平衡光合作用与水分流失，而GORK钾离子通道作为气孔关闭的关键执行者，其动态调控机制一直是植物生理学的未解之谜。传统认知中，高浓度胞外K⁺会抑制通道活性，这种独特的“安全锁”机制虽能防止离子泄漏，却可能限制气孔对环境的快速响应。中国科学院分子植物科学卓越创新中心（CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences）的Peng Zhang团队联合英国格拉斯哥大学研究者，通过冷冻电镜捕获了GORK通道在三种不同构象（闭合态、预开放态和突变激活态）的高分辨率结构，首次揭示了其门控机制的结构基础。

研究采用冷冻电镜单颗粒分析（分辨率达2.4-3.0 ?）结合非洲爪蟾卵母细胞电压钳记录技术，系统解析了GORK的电压传感器（VSD）、孔道域（PD）和CNBHD结构域的动态互作。通过构建E317A/D321A等关键位点突变体，结合功能分析阐明了耦合位点对门控动力学的调控规律。

GORK架构特征

冷冻电镜结构显示GORK呈现四聚体不对称组装：跨膜区保持四重对称，而胞质区退化为二重对称。电压传感器（VSD）处于“上升”构象时，孔道内部由I303/T307/V311形成的1 ?狭窄区仍保持关闭，这与高K⁺诱导的长寿命闭合态一致。

关键耦合位点

研究发现两个功能性耦合位点：CSI（位于S4-S5与C-linker交界处）中，D321与相邻亚基形成盐桥网络，其突变体GORK^D321A使激活电压V_1/2负移34 mV；CSII（位于VSD与CNBHD界面）的L474A突变则导致激活曲线出现“肩峰”，提示存在中间态。

内源性配体样调控

CNBHD结构域中R512残基自发插入伪配体结合口袋，类似KCNH通道的“内源性配体”机制。突变实验显示R512E等突变虽不影响电压敏感性，但显著降低最大电导（G_max），证实该位点对构象稳定的重要性。

预开放态捕获

N端缺失突变体GORK^Δ23在低K⁺条件下呈现四重对称的预开放态：所有CNBHD结构域上抬10 ?，与VSD紧密接触，导致孔道扩张0.7 ?。这种构象解释了该突变体V_1/2负移47 mV的 electrophysiology 特征。

该研究提出了“半独立机械门闩”模型：VSD运动、CNBHD重排和C-linker环扩张作为相对独立的构象转变步骤，共同控制通道开放。这一发现不仅解释了GORK独特的K⁺依赖性门控，更为设计气孔动力学优化作物提供了精确的分子靶点——通过改造CSI/CSII位点可调控气孔关闭速度，从而平衡光合碳固定与水分利用效率。研究建立的构象调控框架也为其他CNBHD家族通道（如动物HCN）的研究提供了新范式。