分子动力学模拟揭示CNGA1离子通道非选择性阳离子渗透的原子机制

本研究通过大规模原子级分子动力学模拟，揭示了哺乳动物环核苷酸门控(CNG)离子通道CNGA1亚基中单价阳离子非选择性渗透的原子机制。研究人员针对CNGA1通道的三种不同构建体进行跨膜电压下的模拟，发现其选择性滤器(SF)具有高可塑性和大尺寸特征，导致K+和Na+结合呈现动态扩散特性。研究首次阐明Na+在SF区域的高占有率是导致其电导率高于K+的结构基础，为理解CNG通道在视觉和嗅觉信号转导中的功能提供了重要理论依据。

　　

在生命活动的精密调控中，离子通道犹如细胞膜上的分子闸门，精确控制着离子的跨膜流动。环核苷酸门控(Cyclic nucleotide-gated, CNG)离子通道作为其中特殊的一类，在视觉和嗅觉信号转导过程中扮演着关键角色。当细胞内cAMP或cGMP浓度发生变化时，这些通道会开启或关闭，调控阳离子跨膜流动，将外界刺激转化为电信号。然而，与经典的电压门控离子通道不同，CNG通道表现出独特的非选择性阳离子渗透特性——它们几乎不区分单价阳离子，甚至允许Ca²⁺通过。更令人费解的是，实验观察到Na⁺的单通道电导率竟是K⁺的1.8倍，这种反常现象背后的结构机制长期困扰着研究人员。

近年来，虽然冷冻电镜技术解析了CNGA1通道的开放和关闭状态结构，但静态结构无法揭示动态渗透过程的原子细节。特别是CNGA1通道的选择性滤器(Selectivity Filter, SF)由T362、I363、G364和E365四个残基组成，其构象在开放和关闭状态间并无明显差异，这与钾通道中SF作为门控元件的经典认知形成鲜明对比。这些未解之谜促使Haoran Liu、Johann Biedermann和Han Sun团队开展这项创新研究，通过大规模分子动力学模拟揭示CNGA1通道非选择性阳离子渗透的原子机制。

研究人员采用了三种技术策略：首先构建了完整CNGA1通道、跨膜区（孔道域+电压感受域）和单独孔道域三种模拟体系；其次应用CHARMM36m、AMBER99SB和AMBER19SB三种力场进行交叉验证；最后在±100-±200 mV生理相关跨膜电压下进行微秒级分子动力学模拟。通过系统比较不同构建体和模拟条件下的离子渗透特征，研究获得了系列重要发现。

主要离子结合特征分析显示，CNGA1通道的SF区域存在三个主要阳离子结合位点：由T362残基羰基/侧链协调的S_intra位点、由I363羰基和E365侧链部分协调的S_central位点，以及由带负电的E365侧链协调的S_extra位点。与钾通道中紧密配位的K⁺结合不同，CNGA1中阳离子结合呈现高度动态和扩散特性。特别值得注意的是，研究还发现了一个位于SF后方的特殊结合位点，由W355骨架和T359、D381侧链构成，约8%的K⁺通过这个侧袋结合位点进入SF。

离子水合状态研究表明，由于CNGA1通道SF尺寸较大，K⁺和Na⁺在渗透过程中均保持部分水合状态。在SF最窄处（S_central位点），K⁺平均配位数为5.3（2.3个水分子+3.0个蛋白氧原子），Na⁺为4.8（2.5个水分子+2.3个蛋白氧原子）。这种部分水合的渗透方式与钾通道中K⁺近乎完全脱水形成鲜明对比，可能是CNGA1通道缺乏选择性的结构基础。

电导率分析获得突破性发现：在包含孔道域和电压感受域的模拟体系中，Na⁺电导率显著高于K⁺（p≤0.001），与实验观察一致。深入分析揭示，Na⁺在SF和孔道区域的平均占据数高于K⁺，特别是在孔道区域差异具有统计学意义（p≤0.01）。研究人员提出，这种高离子密度促进了更高效的多离子敲除机制，是Na⁺电导率更高的主要原因。

中央空腔门控波动分析显示，模拟中SF区域显著变宽而门控区域变窄，这种构象变化与孔道脱水程度高度相关（r2高达0.85）。有趣的是，虽然门控距离缩小至10?仍应允许水合K⁺通过，但研究观察到门控收紧常伴随渗透停止，提示部分脱水可能直接影响离子传导效率。

这项发表于《Communications Biology》的研究首次通过原子尺度模拟揭示了CNGA1通道非选择性阳离子渗透的动态机制。研究不仅阐明了Na⁺电导率高于K⁺的结构基础，还提出了多离子敲除机制在非选择性通道中的重要作用。这些发现对理解CNG通道相关疾病（如视网膜色素变性）的病理机制具有重要启示，也为设计靶向CNG通道的药物提供了理论依据。特别值得注意的是，研究中发现的E365质子化状态对电导率的调控效应，以及侧袋渗透路径等新现象，为后续实验研究指明了方向。该工作展示了分子动力学模拟在桥接结构生物学与电生理学研究中的强大能力，为离子通道研究提供了范式转移。