膜脂调控BK通道去湿门控的分子机制揭示：Ca2+依赖性与电压敏感性的协同作用

本研究通过分子动力学模拟揭示了BK通道（大电导钙激活钾通道）门控的新机制：膜脂通过侧向裂隙侵入孔道触发去湿效应，阻断离子传导。研究人员发现Ca2+结合诱导的CTD构象变化会排斥脂质入侵，阐明了脂质在耦联Ca2+传感域（CTD）与孔道门控域（PGD）中的关键作用，为理解神经分泌和肌肉收缩等生理过程提供了新视角。

　　

大电导钙激活钾通道（BK通道）是细胞膜上精密调控钾离子外流的分子机器，其独特的双激活机制——既能响应胞内钙离子（Ca²⁺）浓度升高，又能感知膜电位去极化——使其在神经传导、肌肉收缩等生理过程中扮演关键角色。然而长期以来，科学家们对BK通道在无Ca²⁺状态下如何实现孔道关闭存在争议：尽管已知S6螺旋的扭结（Ala316-Ser317）参与构象变化，但实验结构显示即使"关闭"状态的孔道半径仍足以允许水分子和离子通过。这一矛盾引出了"疏水门控"假说，即孔道内疏水区域可能通过去湿效应阻断离子传导，但具体分子机制尚不明确。

为破解这一谜题，来自意大利的研究团队通过整合平衡态与增强采样分子动力学模拟，对BK通道三种构象（Ca²⁺结合态、中间态和无Ca²⁺态）进行了系统性研究。研究发现发表在《Nature Communications》的这项工作首次揭示了膜脂分子通过S6螺旋间的裂隙（fenestration）侵入孔道腔体，协同触发去湿效应的全新门控机制。

研究主要采用三项关键技术：1）基于冷冻电镜结构（PDB 6V38/6V3G/8GHG）的微秒级分子动力学模拟，追踪孔道水合状态与脂质入侵动态；2）元动力学模拟定量分析脂质侵入自由能谱；3）约束分子动力学计算孔道水合自由能曲线。特别针对L312A/L312D等已知影响门控的突变体进行了对比模拟。

孔道水合与脂质侵入的动态关联

通过分析深孔区（DPV）的水分子和脂质碳原子数量，研究发现无Ca²⁺构象中脂质尾部会通过S6螺旋形成的裂隙侵入孔道，最多可占据8±3个碳原子。这种侵入使孔道有效半径从2.4 ?缩减至1.5 ?，与水分子的数量呈现显著负相关（图2）。值得注意的是，只有含不饱和键的油酰基链能有效穿透裂隙，暗示脂质组成可能精细调控门控过程。

水合状态的亚稳态特征

增强采样模拟揭示：当侵入脂质碳原子数＞7时，去湿态成为优势状态；而中间态（Ca²⁺低结合）则保持水合状态。约束分子动力学进一步证实，脂质侵入会改变孔道水合自由能曲线，产生水合/去湿双稳态（图4）。这种状态依赖性解释了为何无Ca²⁺结构实验观测到"看似开放"的孔道——脂质侵入是触发去湿的必要条件。

突变体验证结构-功能关系

L312A/L312D突变模拟显示：虽然L312A保持疏水性，但增大的孔道半径（18±3水分子）和S6倾斜角变化阻碍了脂质侵入，使通道稳定于开放态。这与电生理实验中该突变引起-180 mV电压激活偏移的现象一致，证实疏水门控需要特定几何约束。

膜脂参与变构耦联的新机制

研究发现CTD的αB螺旋上Lys392在Ca²⁺结合后发生9 ?位移，通过破坏其与Arg329-脂质头基的相互作用，阻止脂质尾部侵入裂隙（图6）。这解释了为何Ca²⁺结合既能直接诱导S6构象变化，又能间接通过"脂质排斥"维持孔道水合状态。

这项研究突破了传统门控机制的认知框架，首次阐明膜脂作为动态调控元件参与离子通道门控的物理机制。不仅为理解BK通道在神经内分泌和血管张力调控中的生理功能提供新视角，更启示脂质微环境可能成为调控通道活性的新靶点。技术层面建立的"孔道水合态定量分析"方法，为研究纳米尺度疏水效应提供了普适性工具。正如作者Vincenzo Carnevale指出："脂质不仅是膜结构的被动组成，更是主动参与生物分子机器调控的精密部件。"这一发现可能推动针对脂质-通道相互作用的新型药物设计策略。