人类KV7.4通道电压传感器的两步激活机制及耳聋相关突变效应研究

《Nature Communications》：Two-step voltage-sensor activation of the human KV7.4 channel and effect of a deafness-associated mutation

本研究通过电压钳荧光技术追踪KV7.4电压传感器激活过程，发现其包含多个电压依赖性转变步骤，其中R216H突变会通过破坏电压传感器稳定性导致通道功能障碍。该研究首次揭示KV7.4通道激活的分子机制，为DFNA2型听力损失提供新的治疗靶点。

　　

在听觉系统的精密机制中，内耳毛细胞内的钾离子通道扮演着维持听觉功能的关键角色。由KCNQ4基因编码的K_V7.4电压门控钾通道，正是其中重要的分子开关。当这些通道功能受损时，就会导致常染色体显性遗传性非综合征性进行性听力损失（DFNA2）。尽管已知K_V7.4通道的开放需要电压传感器结构域（VSD）的电压依赖性构象变化，但快速电荷位移如何与缓慢的通道开放过程相耦合，这一机制始终是领域内的未解之谜。

为了揭示这一分子机制，研究人员在《Nature Communications》上发表的最新研究中，采用创新性的实验策略对K_V7.4通道的激活过程进行了深入探索。该研究不仅阐明了电压传感器激活的精细步骤，还揭示了耳聋相关突变导致通道功能障碍的分子基础。

研究团队主要运用了电压钳荧光技术（VCF）这一关键方法，通过双荧光标记和脉冲激发的方式，实时追踪电压传感器构象变化。同时结合分子动力学模拟，从原子水平验证实验发现。这些技术的综合应用使得研究人员能够精确解析电压传感器激活的动力学过程。

研究结果显示，K_V7.4电压传感器的激活并非单一过程，而是包含多个电压依赖性转变。通过电压钳荧光测量，研究人员发现电压传感器的激活动力学与通道开闭的动力学特征高度匹配，表明二者之间存在紧密的功能耦合。特别值得注意的是，导致DFNA2的R216H突变会显著影响电压传感器运动和通道开放，分子动力学模拟证实这一突变通过破坏活性VSD构象的稳定性而发挥作用。

研究人员提出K_V7.4电压传感器的激活分为两个关键步骤：首先是快速运动，代表向中间激活状态的初始转变；随后是较慢的组分，最终完全激活电压传感器并驱动通道开放。这一模型很好地解释了快速电荷位移与缓慢通道开放之间的动力学差异。

该研究的创新性在于首次详细描绘了K_V7.4通道电压传感器激活的分子步骤，建立了电压传感器运动与通道功能之间的直接联系。对于R216H突变致病机制的阐明，不仅为DFNA2听力损失提供了新的病理生理学解释，也为未来开发针对性的治疗策略奠定了理论基础。这些发现对于理解电压门控离子通道的功能调控机制具有普遍意义，为相关疾病的研究提供了新的范式。