综述：打开内向整流钾离子通道之门

《British Journal of Pharmacology》：Opening closed inward rectifier potassium channel doors

该综述系统回顾了内向整流钾离子(KIR)通道激活剂的研究现状与挑战，指出这类通道功能缺失是多种罕见通道病的核心致病机制。文章重点聚焦于磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸(PIP2)依赖性功能丧失突变的病理生理学，并评估了当前已知KIR靶向激动剂的潜力，最终呼吁开发新型亚型特异性通道开放剂，以期为治疗带来新机遇。

　　

1 引言

1.1 内向整流 K⁺通道

钾离子通道由约80个基因编码，是离子通道中最大的家族。编码的蛋白质可以以同聚或异聚形式组装，产生超过80种功能性蛋白质。在这一大类离子通道中，内向整流钾离子通道(K_IR)家族包含七个成员(K_ir1.x 至 K_ir7.x)，由16个基因(KCNJ)编码。基于序列同源性，它们可分为四个功能类别：经典K_IR通道(K_ir2.x)、G蛋白偶联K_ir通道(K_ir3.x)、ATP敏感K⁺通道(K_ir6.x)和K⁺转运通道(K_ir1.x， K_ir4.x， K_ir5.x， K_ir7.x)。K_IR通道普遍表达，并构成多种生理功能的基础，例如肌肉、神经元和心脏的电活动、电解质稳态和胰岛素释放。

该家族的特征是能够更容易地将K⁺离子传导进细胞而非传出细胞。一方面，在负电位下的强传导确保了细胞在超极化因素作用下保持稳定的静息膜电位。然而，在可兴奋细胞如心肌细胞中，去极化电位下的弱传导防止了动作电位期间过度的外向K⁺电流。这种整流特性是通过细胞内多胺和Mg²⁺离子的阻断介导的。

1.2 K_IR通道的结构特征

K_IR亚基各有两个跨膜片段，TM1和TM2，它们包围着孔道结构域，具有胞内的N端和C端。四个亚基组装形成一个功能性通道。最近X射线和冷冻电镜方法的成功使得多个三维结构得以阐明，包括处于关闭状态的人K_ir2.1、处于关闭和开放构象的鸡K_ir2.2、以及小鼠K_ir3.1、K_ir3.2和K_ir6.1与K_ir6.2通道的两种状态。全长K_ir4.1与动力蛋白轻链复合物以及K_ir7.1的近原子级冷冻电镜结构也已可获得。不仅显示了孔模块的显著保守性，还突出了该家族多样的辅助调节因子和精细调整的结构差异。

此外，可以形成同源四聚体和异源四聚体通道，例如K_ir2.1/2.2或K_ir4.1/5.1，进一步增加了功能性通道的数量。K_IR通道亚家族由不同的配体门控，例如G_βγ和Na⁺(K_ir3)、H⁺(K_ir1/K_ir4/K_ir5)、核苷酸和磺脲类受体(SUR)亚基(K_ir6)，而PIP₂作为一个普遍的激活剂。钾离子渗透受三个门调控：选择性过滤器、螺旋束交叉(HBC)和G环。由TM2螺旋形成的螺旋束交叉门通过螺旋弯曲和旋转打开以允许离子流动。位于胞质结构域(CTD)的G环门经历构象变化，增加其直径以允许通道。

1.3 PIP₂在 K_IR通道激活中的重要作用

磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸(PIP₂)是所有K_IR通道的关键激活剂。跨K_IR亚型(包括K_ir2.2、K_sub>ir3.2和K_ATP通道中的K_ir6.2)的结构、功能和计算研究已确定了一个保守的PIP₂结合位点，位于跨膜结构域(TMD)和胞质结构域之间的界面。只有当胞质结构域采取“紧凑且结合”的构象时，该位点才完全形成，涉及向上和旋转运动，使胞质结构域与TMD对齐，从而实现高亲和力的PIP₂结合。PIP₂结合进而通过促进螺旋束交叉和G环门等结构变化来稳定开放或预开放状态。

尽管存在这种保守机制，K_IR亚型在PIP₂如何调控门控方面存在差异。在K_ir2通道中，PIP₂结合诱导显著的胞质结构域重排以稳定开放状态。然而，次级阴离子脂质的存在对于完全增强该亚家族中PIP₂依赖的通道激活至关重要。相比之下，K_ir3(GIRK)通道响应PIP₂时经历更适度的胞质结构域运动，这必须由G蛋白βγ亚基的结合来补充，揭示了该亚型独特的双重调节机制。在K_ir6通道(与SURs共同形成八聚体K_ATP通道)中，情况更为复杂。在这里，门控由PIP₂和ATP共同控制，PIP₂的作用是解除ATP介导的抑制。

在K_ir1.1和K_ir4.1/K_ir5.1通道中，PIP₂依赖性门控进一步受到细胞内pH的调节。酸化降低了表观PIP₂亲和力并有利于关闭状态，而碱性pH则稳定PIP_sub>2结合的开放构象。这种对PIP₂和pH的双重依赖性为这些K_IR亚家族提供了额外的调节轴，并可能代表另一个药物干预的机会。PIP₂依赖性门控机制、辅因子、疾病关联以及对激活剂作用的启示的对比概述总结在表1中。

2 病理生理学

K_IR通道功能丧失突变与多种疾病有关。例如，与巴特综合征2型相关的K_ir1.1突变、与安德森综合征相关的K_ir2.1突变、与Keppen-Lubinsky综合征相关的K_ir3.2突变、与长QT综合征13型相关的K_ir3.4突变、与EAST/SeSAME综合征相关的K_ir4.1突变、与低钾性肾小管病变和耳聋相关的K_ir5.1突变、与家族性高胰岛素性低血糖2型相关的K_ir6.2突变、与青少年发病的成年型糖尿病13型相关的K_ir6.2突变、与Leber先天性黑蒙16型相关的K_ir7.1突变以及与雪花状玻璃体视网膜变性相关的K_ir7.1突变。

如表2至表7所示，PIP₂-通道相互作用的破坏已被证明是相当数量的错义变异中功能丧失表型的基础。这一机制特别涉及与安德森综合征、巴特综合征、EAST综合征和先天性高胰岛素血症相关的选定突变。这些疾病中相当比例的功能丧失突变会损害PIP₂结合或耦合，从而导致通道活性降低或丧失。这凸显了开发能够恢复或增强PIP₂依赖性门控的K_IR通道激活剂的巨大治疗潜力。