hERG钾通道电压传感器构象动态研究揭示LQTS相关突变致心律失常的结构机制

本研究针对长QT综合征(LQTS)相关hERG钾通道突变导致电压传感器功能异常的机制难题，通过整合荧光寿命成像显微技术(FLIM)、过渡金属FRET(tmFRET)和分子动力学模拟，首次捕捉到R531Q等突变诱导的电压传感器中间态构象。研究发现关键精氨酸突变通过破坏电荷转移中心稳定性，导致S4螺旋形成异常倾斜的310螺旋构象，产生能量势垒阻碍电压敏感域(VSD)正常激活。该成果发表于《Nature Communications》，为理解心脏离子通道病的结构基础提供了新视角。

　　

心脏电活动的精确调控依赖于电压门控离子通道的协调工作，其中hERG钾通道（又称K_v11.1）在心脏复极化过程中扮演着"刹车"角色。当这个"刹车"系统出现故障时，就会导致长QT综合征(LQTS)——一种以心室复极化延迟为特征、可能引发致命性心律失常的疾病。虽然已知hERG通道中电压敏感域(VSD)的精氨酸突变与LQTS密切相关，但这些突变如何改变电压传感器构象动态，进而影响通道功能的分子机制仍不清楚。

美国圣路易斯大学医学院的研究团队在《Nature Communications》发表创新性研究，通过多学科交叉方法揭示了hERG电压传感器在病理突变下的构象重排机制。研究人员设计了一套精密的实验体系：利用双终止密码子抑制技术将荧光非经典氨基酸L-吖啶酮丙氨酸(Acd)特异性地嵌入S4螺旋的L523位点，同时通过点击化学在S1螺旋的G439位点引入铜离子-DOTA复合物作为FRET受体，构建了高灵敏度的tmFRET探针对。结合频率域荧光寿命成像显微技术(phasor FLIM)和分子动力学(MD)模拟，首次捕捉到R531Q突变诱导的电压传感器中间态构象。

关键技术包括：1）开发改进的双终止密码子抑制策略实现膜蛋白特定位点双重标记；2）应用phasor FLIM-tmFRET在活细胞中定量测量电压传感器构象分布；3）通过稳态和牵引分子动力学(SMD)模拟解析S4螺旋运动路径；4）采用伞采样计算自由能景观揭示突变对构象平衡的影响。

电压传感器中间态的发现

通过线性解混分析phasor FLIM数据，发现R531Q突变导致约20?的中间FRET效率（对应35%高FRET状态），显著低于野生型的13?距离（65%高FRET状态）。这种中间态在L523/G439和L523/P440两个FRET对中均得到验证，MD模拟显示该状态对应S4螺旋上移4-5?并倾斜30°的独特构象。

分子机制解析

SMD模拟揭示R531Q突变破坏电荷转移中心（F463/D456/D460）与S4精氨酸的相互作用，使S4螺旋在-150mV时即稳定在中间I态。自由能景观分析显示突变体势垒降低，导致电压传感器在中间态和激活态间异常波动。特别值得注意的是，突变诱导S4C端形成310螺旋构象，这种二级结构改变可能是阻碍完全激活的结构基础。

临床相关性验证

与致心律失常突变R531Q形成对比，非致病性突变R528Q虽也诱导中间II态，但能通过D460与R531的相互作用完成最终激活。而位于S4下部的R534Q突变则通过增强失活而非阻碍激活导致LQTS，说明不同位点突变通过差异机制影响通道功能。

这项研究首次在近天然膜环境中捕捉到hERG电压传感器的中间激活态，建立了精氨酸突变-构象异常-功能缺陷的完整因果链条。所开发的phasor FLIM-tmFRET方法为研究其他膜蛋白构象动态提供了普适性工具。从转化医学角度看，发现310螺旋构象这一新型生物标志物，为开发针对电压传感器中间态的精准干预策略指明了方向。研究还提示，未来针对不同突变类型的个性化治疗需考虑其在自由能景观中的特异性位置，这对遗传性心律失常的精准分型和治疗具有重要指导价值。