Hv1质子通道动态氢键网络调控机制及其与脂质相互作用的计算生物学研究

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Fluctuating hydrogen-bond network of the Hv1 ion channel

本研究针对Hv1电压门控质子通道超高质子通量远超扩散极限的机制难题，通过分子动力学模拟结合图论分析，首次系统揭示了通道内部由关键天冬氨酸(D108/D112)介导的动态氢键网络可连接膜界面脂质头基，提出了"脂质-蛋白质协同质子采集"新机制，为理解质子超快传导及脂质调控通道功能提供了原子层面理论基础。

　　

电压门控质子通道Hv1在免疫细胞呼吸爆发、癌症转移和脑缺血等病理过程中发挥关键作用，但其质子传导机制存在两大谜团：一是单个通道的质子通量最高可达扩散极限的100倍，远超经典扩散理论预测；二是负责电压感知的结构域同时承担质子传导功能，这种"一域双功能"的设计原理尚未阐明。更 intriguing 的是，该通道对内部羧基侧链突变表现出惊人鲁棒性——除关键天冬氨酸(D112)外，其他羧基突变后仍能保持质子选择性，这暗示可能存在某种补偿机制。

为破解这些难题，布加勒斯特大学Bondar团队在《Computational and Structural Biotechnology Journal》发表研究，通过多尺度模拟揭示了Hv1通道内部动态氢键网络的运作机制。研究人员构建了14种不同质子化状态和脂质组成的模拟体系，累计7微秒的原子级分子动力学模拟，并结合自主研发的Bridge图论分析工具，系统刻画了D108与膜两侧的氢键连接路径。

关键技术方法包括：1) 基于mHv1cc晶体结构(PDB: 3wkv)构建14个模拟体系，涵盖标准质子化、单点质子化突变及5种脂质环境(POPC/POPE/POPS等)；2) CHARMM36力场进行500纳秒/体系的分子动力学模拟；3) 图论算法识别氢键路径，引入"联合占据率(Joint Occupancy)"量化路径连续性；4) MEMBPLUGIN膜厚度分析等。

氢键网络拓扑结构

研究发现闭合态Hv1内部存在广泛的水介导氢键网络，D108通过精氨酸R201/R204形成稳定盐桥，并与D181等残基构成核心连接节点。值得注意的是，D170作为四螺旋交汇枢纽，其突变会显著降低电导，而N210作为该网络关键节点，其丙氨酸突变导致质子传导缺陷，印证了网络功能重要性。

质子化状态可塑性

通过系统改变残基质子化状态，发现D108中性化时网络重构：R204转向连接D170，胞外端E115-D119簇扩展至D126-D129片段。尽管局部连接方式随质子化状态变化，但D108始终能与膜两侧残基保持连通，这种拓扑鲁棒性可能是通道功能稳定的结构基础。

连续氢键路径定量分析

创新性引入路径联合占据率(JO)指标，发现D108-D181间存在多条高JO值(>90%)的短路径(长度=2)。特别值得注意的是，中性D108可形成通向胞质侧N164(对应人源H168/pH传感位点)的长路径，提示质子化变化可动态调节网络连通范围。

脂质-蛋白质相互作用

突破性发现内部氢键网络可直接连接脂质头基：胞外侧通过K187桥接POPC磷酸基团，胞质侧D170簇与多个脂质头基形成氢键网络。不同脂质环境中网络呈现特异性：POPE膜中D108-H95长路径(长度=9)的JO>5%，而E.coli膜模型(薄4?)中R204更易" snorkeling"锚定脂质，表明膜物理化学性质共同调控网络构型。

研究结论强调Hv1内部动态氢键网络具有"自上而下"的传导优势：一方面通过脂质连接利用界面质子库突破扩散极限，另一方面通过网络拓扑可塑性实现质子化状态的动态响应。该工作首次从原子层面揭示脂质环境直接参与质子传导途径的分子机制，为理解超高质子通量现象提供了新范式，对针对Hv1的靶向药物设计（如癌症、缺血性脑损伤治疗）具有重要指导意义。