脂质相互作用与门控滞后揭示细菌机械敏感通道YnaI的生理功能机制

本研究针对细菌机械敏感通道YnaI的激活机制不明问题，通过冷冻电镜、分子动力学模拟和膜片钳电生理技术，揭示了其与MscS不同的脂质相互作用模式及显著的滞后门控特性。研究发现YnaI的额外跨膜螺旋使脂质填充疏水口袋远离膜双层，导致其需接近膜裂解张力才能激活，但开放后可维持更长时间以促进渗透压平衡。该成果为理解细菌应对渗透压变化的多元策略提供了新视角。

　　

在细菌应对环境渗透压变化的防御系统中，机械敏感通道（Mechanosensitive channels, MSCs）扮演着关键角色。其中小电导机械敏感通道（MscS）家族成员YnaI因具有两个额外跨膜螺旋而结构独特，但其激活机制与生理功能长期存在争议。传统认知认为MscS通过"脂质先动"机制（lipids-move-first）响应膜张力变化，而YnaI是否遵循相同机制尚不明确。更令人困惑的是，YnaI虽与MscL类似需接近膜裂解张力才能激活，但其仅产生0.1 nS的小电导，这种看似矛盾的特性暗示其可能具有未被发现的特殊生理功能。

为解开这些谜团，来自洛克菲勒大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。研究人员采用冷冻电镜（cryo-EM）解析了纳米盘嵌入的YnaI闭合态结构，发现其疏水口袋中的脂质比MscS更稳定且远离膜双层。通过分子动力学（MD）模拟证实，额外跨膜螺旋TM-N1和TM-N2将YnaI核心结构推离膜平面约4.2?，使口袋脂质与膜间距增加3?。这种独特的结构特征解释了为何YnaI需要更高膜张力激活——脂质从更深的口袋中抽离需要更大能量。

研究采用多项关键技术：1）冷冻电镜解析YnaI在不同脂质环境下的高分辨率结构；2）分子动力学模拟比较YnaI与MscS的脂质相互作用差异；3）膜片钳记录分析突变体在巨大原生质球中的电生理特性；4）β-环糊精（βCD）和溶血磷脂酰胆碱（LPC）处理模拟膜张力变化。

研究结果部分的重要发现包括：

"闭合静息态的YnaI结构"显示，与MscS相比，YnaI的孔隙半径更小（

），且口袋脂质密度更清晰，提示更强的相互作用。

"纳米盘无法获得YnaI开放态结构"部分发现，βCD虽能在脂质体中激活YnaI，但纳米盘中的YnaI仍保持闭合态，暗示纳米盘环境可能限制构象变化。

"YnaI口袋脂质不与膜自由交换"通过分子动力学模拟揭示，YnaI口袋脂质填充速度比MscS慢4倍（

），且静电相互作用位点更多（如Arg120、Lys108等），说明其口袋脂质更多发挥结构稳定作用而非门控调节功能。

"YnaI与MscS的通道特性差异"部分通过膜片钳实验首次量化了YnaI的显著门控滞后现象：开放阈值（146.7±7.7 mmHg）接近MscL，但关闭阈值（-67.3±5.2 mmHg）显著降低，使其能在更低膜张力下保持开放（

）。这种特性与MscS的快速失活形成鲜明对比。

研究结论创新性地提出YnaI的生理功能分工模型：在快速渗透压变化时，MscS和MscL主导响应；而在慢速变化时，YnaI凭借其滞后特性可替代已失活的MscS，将膜张力持续降至安全水平（约4.8 mN/m）。定量分析显示，30个YnaI通道可在1.3秒内释放5×10⁸个离子，协同其他通道共同维持渗透平衡。该研究不仅阐明了细菌机械敏感通道的功能多样性，也为理解真核生物机械敏感通道的进化起源提供了新线索。