质子激活氯离子通道(PAC/TMEM206)：从分子鉴定、结构机制到其在细胞器生理与疾病中的关键角色

《Annual Review of Physiology》：The Proton-Activated Chloride Channel: Molecular Identification, Structure, and Role in Organelle Physiology

本文综述了质子激活氯离子通道(PAC/TMEM206)的里程碑式发现。自2019年其分子身份被确认为广泛存在于哺乳动物细胞中的质子/酸激活氯电流(ICl,H)的载体以来，研究已迅速揭示了其三聚体“花束状”结构、pH感知机制、阴离子选择性及脂质调控等生物物理特性。该通道不仅分布于细胞膜，更主要定位于胞内细胞器(如内体、吞噬体、大胞饮体)，通过介导pH依赖的氯离子流来调控腔体pH和细胞器体积，从而在维持细胞器稳态、神经元突触可塑性、免疫防御及病毒感染等多种生理病理过程中扮演核心角色。文章系统梳理了PAC通道的结构生物学、药理学、调控机制及其在缺血性中风、癌症、骨重塑异常等疾病中的作用，并展望了其作为新兴治疗靶点的潜力。

　　

RNAi筛选鉴定出PAC (TMEM206)为质子激活氯离子通道

在2019年，两个独立研究组通过基于荧光淬灭的高通量筛选，利用RNA干扰(RNAi)技术，在表达内源性质子激活氯电流(I_Cl,H)的HEK293和HeLa细胞中，鉴定出跨膜蛋白TMEM206是介导该电流所必需的基因。该基因随后被命名为质子激活氯离子通道(PAC)或PACC1。实验证实，利用CRISPR-Cas9技术敲除PAC基因可完全消除I_Cl,H电流，而过表达PAC则足以产生具有相同特性（包括酸敏感性、强外向整流特性、阴离子渗透序列及对已知抑制剂的敏感性）的大电流。PAC蛋白预测含有两个跨膜结构域(TM1和TM2)，其中TM2被认为构成了离子通道孔道的主要部分。有趣的是，在人类基因组中PAC没有旁系同源物，但其同源物在脊椎动物中广泛存在，暗示了其功能的进化保守性。

PAC通道的结构与生物物理特性

冷冻电镜(cryo-EM)结构解析揭示，PAC通道形成一种独特的、类似花束状的三聚体同源三聚体结构。每个亚基包含一个由两个跨膜螺旋(TM1和TM2)组成的跨膜结构域(TMD)和一个主要由β片层构成的大型胞外结构域(ECD)。其整体架构与上皮钠通道(ENaC)/退化蛋白超家族的阳离子通道（如酸敏感离子通道ASICs）相似，但序列同源性很低，且具有独特的pH感知机制。研究已捕获到PAC在高pH下的静息关闭状态，以及在低pH下的激活状态和脱敏状态三种构象。在激活状态下，ECD发生收缩，亚基间堆积更紧密；同时TMD重排，形成由六个跨膜螺旋（交替的TM1和TM2）围成的桶状离子孔道，其孔径足以让氯离子通过。通道脱敏则涉及TM1发生约45°的大幅摆动，导致孔道关闭。

离子传导途径、选择性与pH感知机制

氯离子通过ECD上的三个侧向开口进入通道，流经由TM2形成的、包含关键选择性过滤器残基K319的离子孔道。将K319突变为谷氨酸(E)可将PAC转化为钠离子通道，证实了其在阴离子选择性中的核心作用。PAC的pH依赖性激活是其基本特征，其半数激活pH值(pH₅₀)约为5.0。pH感知并非依赖于单个残基，而是由多个可质子化残基协同作用完成。其中，组氨酸残基H98、H130、H131以及天冬氨酸残基D269被确认为关键的pH传感器，将这些残基突变为模拟质子化状态的精氨酸(R)或天冬酰胺(N)会导致通道在中性pH下产生基础电流。此外，ECD酸性口袋内的残基对（如E257-D289）通过形成羧基-羧酸盐相互作用来稳定通道的开放构象，对构象变化的变构传递至关重要。

PAC通道的药理学与调控

目前针对PAC的药理学研究尚不充分，已知的抑制剂如DIDS多为非特异性。近年来，通过虚拟筛选和化学筛选，已发现一些新型调节剂。例如，化合物C77304在低浓度时激活PAC，在高浓度时则抑制PAC。胆汁酸（如脱氧胆酸DCA）和染料伊文思蓝也被鉴定为PAC的有效抑制剂，其中伊文思蓝具有亚微摩尔级的半抑制浓度(IC₅₀)和较高的特异性。信号脂质磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸[PI(4,5)P₂或PIP₂]可双向调控PAC：胞外施加PIP₂可逆地抑制通道活性，而胞内PIP₂的消耗则会抑制电流，表明其具有激活作用。此外，转移RNA(tRNA)被发现可结合在PAC胞质侧的C末端结构域，从而抑制通道的开放概率，这可能是一种与细胞状态相关的内源性调控机制。

PAC通道的生理学功能

除了在细胞膜上响应胞外酸中毒，PAC通道更重要的生理功能在于其定位于细胞内细胞器，调控其生理过程。其主要剪接变体包含一个N端的YXXΦ基序，该基序通过AP2衔接蛋白复合物介导其内存作用，使其富集于内体、吞噬体和巨胞饮体等酸性细胞器的膜上。

在内体通路中，PAC与V-ATPase质子泵和氯离子转运蛋白(CLCs)协同工作，维持内体腔的离子和pH稳态。激活的PAC介导氯离子外流，抵消质子泵产生的电化学梯度，防止内体过度酸化，从而维持早期内体和循环内体的pH在6.0-6.5左右。这一功能对于依赖pH的受体（如转铁蛋白受体）配体解离和货物分选至关重要。PAC的缺失或过表达会分别导致内体过度酸化或碱化，进而影响转铁蛋白等受体的内存效率。

在神经元中，PAC定位于早期和循环内体，通过调节内体pH，特异性参与海马神经元的长时程抑制(LTD)，而对长时程增强(LTP)和基础突触传递无影响。在PAC条件性敲除的小鼠中，化学LTD刺激无法有效内化α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPARs)，且小鼠在依赖LTD的认知行为测试（如莫里斯水迷宫逆转实验）中表现受损。

在巨噬细胞中，PAC参与大胞饮体分辨率过程。PAC介导的氯离子外流是伴随钠离子外流（通过双孔通道TPCs）的必要步骤，共同降低大胞饮体的腔内渗透压，促进水分外流和细胞器体积减小，从而完成“分辨率”。此外，在响应细菌感染时，巨噬细胞会下调PAC的表达，以促进吞噬体的酸化、蛋白酶活性的增强及细菌降解，从而增强下游STING-IRF3信号通路和细胞焦亡等免疫反应。巨噬细胞特异性PAC敲除的小鼠在腹腔细菌感染模型中显示出更强的细菌清除能力和生存率。

PAC通道还能影响病毒进入。例如，严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)通过内体途径入侵细胞，需要内体酸性环境来激活组织蛋白酶L以切割病毒刺突蛋白。PAC的过表达会碱化内体，从而显著抑制SARS-CoV-2假病毒和活病毒的进入与复制。

PAC通道在疾病中的作用

局部组织酸中毒是缺血、癌症等多种病理状态的标志。PAC通道介导的氯离子内流被认为是导致酸中毒诱导的细胞肿胀和坏死性细胞死亡的重要机制。在缺血性中风的小鼠模型中，全身性或星形胶质细胞特异性敲除PAC可部分减轻脑损伤，表明抑制PAC具有神经保护潜力。

在骨重塑中，破骨细胞在骨吸收过程中分泌酸创造局部酸性环境。PAC在破骨细胞中表达，并参与其融合形成多核成熟破骨细胞的过程。在腰椎不稳的小鼠模型中，全身性或破骨细胞特异性PAC敲除可减轻软骨终板的骨吸收、孔隙形成和神经支配，从而缓解疼痛。

多项研究表明，PAC在结直肠癌和肝细胞癌等癌症中表达上调，并通过影响PI3K/AKT和Wnt/β-连环蛋白信号通路促进肿瘤细胞的增殖和迁移。PAC的缺失可抑制这些致癌表型。

此外，有报道称PAC全局敲除小鼠更易发生角膜混浊，但其具体机制尚不明确。

结论与未来方向

PAC通道的发现开启了一个研究pH依赖的氯离子信号传导的新时代。其独特的结构、在细胞器生理中的核心作用以及在多种疾病中的参与，使其成为一个极具潜力的新型治疗靶点。未来研究需进一步阐明PAC表达与活性的精细调控网络、鉴定其可能的调控亚基、深入探索其在更多细胞类型（如胶质细胞、肾小管细胞）中的功能，并开发更具选择性和效力的激动剂或抑制剂，为治疗中风、癌症、感染性疾病和骨骼退行性疾病等提供新策略。