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通道视紫红质（ChRs）光门控离子传导机制的结构信息匮乏，限制其作为光遗传学工具的优化。研究人员通过单颗粒冷冻电镜技术研究链壶菌钾离子通道视紫红质 1（HcKCR1）的 C110A 突变体，揭示其光门控机制，为光遗传学工具设计提供关键依据。
在神秘的微观世界里，有一种神奇的蛋白质 —— 通道视紫红质（ChRs），它就像一把能被光操控的离子通道 “钥匙”，广泛应用于光遗传学领域，帮助科学家精准控制神经元等细胞的活动。然而，这把 “钥匙” 是如何在光的作用下打开离子通道大门的，一直是个未解之谜。缺乏通道视紫红质光门控离子传导机制的结构信息，就像在黑暗中摸索，极大地限制了其作为光遗传学工具的进一步优化和发展。
为了揭开这个神秘的面纱，来自加拿大、美国、以色列等多个国家研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于链壶菌（Hyphochytrium catenoides）中的钾离子通道视紫红质 1（HcKCR1），对其进行深入研究。最终，研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了重要突破。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：单颗粒冷冻电镜技术（cryo - EM），它能在接近天然状态下观察蛋白质的结构；分子动力学模拟，用于研究离子在通道中的传导过程；定点突变技术结合膜片钳分析，以此探究通道门控和选择性相关残基的作用 。
研究结果如下：
- HcKCR1_C110A 嵌入肽盘：研究人员将纯化的 HcKCR1_C110A 重组到肽盘中进行冷冻电镜分析。结果显示，肽盘为 HcKCR1_C110A 提供了类似生物膜的环境。通过该技术，研究人员获得了暗适应状态和激光闪光激发后 HcKCR1_C110A 的高分辨率结构，证实 C110A 突变不影响三聚体组装。
- K?传导通路的形成：利用 HOLLOW 软件和 CAVER 分析发现，光照使暗适应状态下分离的腔体连接成连续的阳离子传导通路，分子动力学模拟也表明光照状态下通道可允许水分子填充，而暗适应状态下则阻断。
- 光异构化开启中央门：对比暗适应和激光闪光激活的 HcKCR1_C110A 结构，发现视网膜发色团从全反式转变为 13 - 顺式构型，RSB 位置改变，合并了分离的腔体，形成 K?传导通路，同时 Asp105、Tyr106 和 Thr109 等侧链的重排也辅助了这一过程。
- Asp116 侧链的翻转：光诱导的发色团异构化引发的结构变化通过 Trp199 的疏水侧链向分子细胞内侧传播，导致 Asp116 侧链翻转，打破与 Arg244 的盐桥，连接内部腔体，为阳离子提供连续通路，且 Asp116 对 K?选择性至关重要。
- 瞬态水链的形成：分子动力学模拟表明，激光闪光激发后，RSB 的 NH 键方向改变，导致细胞质侧形成由三个氢键连接的水分子链，类似细菌视紫红质（BR）中的质子转移水链，可能促进 KCRs 的 H?电导。
- 芳香簇的重排：在激光闪光激发的 HcKCR1_C110A 细胞外段，RSB 信号通过 Tyr106 传播，扰动由 Trp102、Phe221、Tyr222 和 His225 组成的芳香簇，影响 K?选择性。
- K?通过通道的流动：通过基于分子动力学模拟的计算电生理学方法，研究发现激光闪光激发的 HcKCR1_C110A 结构允许 K?通过，且 K?的运动受 Asp 等残基引导，而暗适应状态下则无阳离子渗透。
- K?通路的诱变分析：对激光闪光激发结构中形成通道收缩部位的多个残基进行诱变分析，发现不同突变对通道门控和选择性有不同影响，如 Tyr222 对 K?选择性至关重要，Met20 和 Leu25 等 TM1 残基也参与选择性的形成。
研究结论和讨论部分指出，HcKCR1 的视网膜异构化改变 RSB NH 键方向，直接打开中央门，这一过程与卤代古菌视紫红质相似。光诱导的结构变化通过疏水 / 芳香残基簇和 Asp105、Asp116 的重排来连接内部腔体，拓宽 K?外流途径。HcKCR1_C110A 光门控 K?电导仅需微妙的局部变化。此外，研究还揭示了 K?在通道中部分或完全脱水的传导机制，以及相关残基通过促进 K?脱水和阳离子 - π 相互作用来实现选择性过滤的作用。
这项研究意义重大，它揭示了 HcKCR1 光门控 K?和 H?电导及选择性的分子机制，为基于 KCR 的光遗传学工具优化提供了坚实的理论基础。未来，结合进一步的分子动力学模拟、时间分辨振动光谱和串行晶体学研究，将更深入地阐明其独特功能的化学本质，推动光遗传学领域迈向新的高度。
