双孔钾离子通道 - 版本历史

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	== 10.1 K2P 通道生理学简介 ==		== 10.1 K2P 通道生理学简介 ==
	细胞接收、整合和处理来自其环境的信息的能力取决于位于质膜上的受体和离子通道的精细调节的运作。质膜上的集合体中有许多类型的 K+ 通道，它们共同作用以控制各种组织的膜电位 (VM) 以及中枢神经系统、心脏和身体肌肉中可兴奋细胞的电活动。因此，了解 K+ 通道功能的结构基础、K+ 通道在生理学中的作用以及调节 K+ 通道在健康和疾病中的活动的因素非常有价值。在这里，我们简要回顾了双孔域 K+ (K2P) 通道。我们讨论了 K2P 通道的结构、功能和病理生理学，以及它们新兴的药理学。这个观点必然是简短的，因此好奇的读者可以阅读探索单个 K2P 通道的结构、功能、病理生理学和药理学具体方面的优秀论文。K2P 通道由人类的 15 个 KCNK 基因编码（图 10.1A），响应各种神经递质、物理化学刺激（例如 pH 值的变化）和药物而打开和关闭（门控）。 K2P 通道具有独特的结构，每个亚基中有四个跨膜结构域 (TMD) 和两个孔 (P) 形成环（图 10.1B）。这些通道在生理电压范围内运行（图 10.~~1C），因此它们影响~~		细胞接收、整合和处理来自其环境的信息的能力取决于位于质膜上的受体和离子通道的精细调节的运作。质膜上的集合体中有许多类型的 K+ 通道，它们共同作用以控制各种组织的膜电位 (VM) 以及中枢神经系统、心脏和身体肌肉中可兴奋细胞的电活动。因此，了解 K+ 通道功能的结构基础、K+ 通道在生理学中的作用以及调节 K+ 通道在健康和疾病中的活动的因素非常有价值。在这里，我们简要回顾了双孔域 K+ (K2P) 通道。我们讨论了 K2P 通道的结构、功能和病理生理学，以及它们新兴的药理学。这个观点必然是简短的，因此好奇的读者可以阅读探索单个 K2P 通道的结构、功能、病理生理学和药理学具体方面的优秀论文。K2P 通道由人类的 15 个 KCNK 基因编码（图 10.1A），响应各种神经递质、物理化学刺激（例如 pH 值的变化）和药物而打开和关闭（门控）。 K2P 通道具有独特的结构，每个亚基中有四个跨膜结构域 (TMD) 和两个孔 (P) 形成环（图 10.1B）。这些通道在生理电压范围内运行（图 10.1C），因此它们影响在动作电位触发阈值以下的超极化电压下 VM 的稳定性

			以及去极化电位下兴奋事件的形状，包括激活阈值的上升、动作电位的形状、从触发中恢复的速度（Plant 等人，2012 年）和超极化后。
	~~在动作电位触发阈值以下的超极化电压下 VM 的稳定性~~

	以及去极化电位下兴奋事件的形状，包括激活阈值的上升、动作电位的形状、从触发中恢复的速度（Plant 等人，2012 年）

	~~和超极化后。~~

	自 20 世纪 90 年代末发现 kcnk 基因以来，大量新的研究和发现对 K2P 通道的研究推动了背景 K+ 电流的发展，从 Hodgkin、Huxley 和 Katz 的深刻预测（这些预测支撑了神经生物物理学模型）发展到对建立和调节静息状态的分子基础的描述（动作电位从静息状态上升和返回）。K2P 通道也广泛表达于非兴奋性细胞，包括上皮细胞、成纤维细胞和星形胶质细胞，它们在其中调节 K+ 稳态和内分泌功能。		自 20 世纪 90 年代末发现 kcnk 基因以来，大量新的研究和发现对 K2P 通道的研究推动了背景 K+ 电流的发展，从 Hodgkin、Huxley 和 Katz 的深刻预测（这些预测支撑了神经生物物理学模型）发展到对建立和调节静息状态的分子基础的描述（动作电位从静息状态上升和返回）。K2P 通道也广泛表达于非兴奋性细胞，包括上皮细胞、成纤维细胞和星形胶质细胞，它们在其中调节 K+ 稳态和内分泌功能。
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	（全细胞模式，移液器中装有去 SUMO 化酶）。（改编自 Plant 等人，2010 年。）细胞内部含有 140 mM K+，外部溶液含有 4 mM K+。右图：记录同一细胞，膜两侧均含有 140 mM K+。（C）研究细胞的平均电流-电压关系，如图 B 所示。活性 K2P1 通道显示开放（GHK）整流，在准生理条件下（Δ，4 mM 外部 K+）传递更多外向电流，在对称 140 mM K+ 时呈现线性电流-电压关系（▲）。（D）左图：真菌双 P 结构域亚基有八个跨膜结构域。中间和右边：在 2 mM（中间）或 100 mM 外部 K+（右）中研究表达 TOK1 通道的 Xenopus laevis 卵母细胞记录的电流。（改编自 Ketchum 等人，1995 年。）（E）图 D 中研究的细胞的电流-电压关系显示		（全细胞模式，移液器中装有去 SUMO 化酶）。（改编自 Plant 等人，2010 年。）细胞内部含有 140 mM K+，外部溶液含有 4 mM K+。右图：记录同一细胞，膜两侧均含有 140 mM K+。（C）研究细胞的平均电流-电压关系，如图 B 所示。活性 K2P1 通道显示开放（GHK）整流，在准生理条件下（Δ，4 mM 外部 K+）传递更多外向电流，在对称 140 mM K+ 时呈现线性电流-电压关系（▲）。（D）左图：真菌双 P 结构域亚基有八个跨膜结构域。中间和右边：在 2 mM（中间）或 100 mM 外部 K+（右）中研究表达 TOK1 通道的 Xenopus laevis 卵母细胞记录的电流。（改编自 Ketchum 等人，1995 年。）（E）图 D 中研究的细胞的电流-电压关系显示

	~~向外整流，即电位的偏移，其中测量向外电流时，~~		向外整流，即电位的偏移，其中测量向外电流时，外部 K+ 浓度的变化与 K+ 的能斯特电位 (EK) 一致。

	外部 K+ 浓度的变化与 K+ 的能斯特电位 (EK) 一致。

	双孔域钾通道 153		双孔域钾通道 153
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	K2P3 和 K2P9 亚基也值得注意，因为它们形成异二聚体 TASK 通道 (Czirjak 和 Enyedi 2002)，对酸化和辛辣刺激物（如花椒中的活性成分羟基-α-山椒素）具有不同的敏感性。如前所述，K2P3 和 K2P9 与 K2P1 亚基共同组装，在中枢神经元中形成异二聚体、SUMO 和 pH 调节通道 (Plant 等人 2012)。		K2P3 和 K2P9 亚基也值得注意，因为它们形成异二聚体 TASK 通道 (Czirjak 和 Enyedi 2002)，对酸化和辛辣刺激物（如花椒中的活性成分羟基-α-山椒素）具有不同的敏感性。如前所述，K2P3 和 K2P9 与 K2P1 亚基共同组装，在中枢神经元中形成异二聚体、SUMO 和 pH 调节通道 (Plant 等人 2012)。

	K2P3 和 K2P9 的表面水平受到信号传导基序的反向作用的严格调节，这些基序决定了通道在内质网 (ER) 中的保留		K2P3 和 K2P9 的表面水平受到信号传导基序的反向作用的严格调节，这些基序决定了通道在内质网 (ER) 中的保留(O’Kelly 等人 2002)。因此，K2P3 正向运输至细胞膜需要磷酸化依赖的普遍存在的可溶性衔接蛋白 14-3-3β 的结合。14-3-3 的结合抑制了 K2P3 与 βCOP 之间的相互作用，βCOP 是一种促进通道在 ER 中滞留的囊泡运输蛋白 (O’Kelly 等人，2002)。βCOP 结合由 K2P3 亚基 N 端和 C 端上的独立碱性基序介导，任何一个位点的破坏都会促进通道正向运输至细胞表面。K2P15 与 K2P3 和 K2P9 具有序列相似性，并且 kcnk15 转录本在胰腺、肝脏、肺、卵巢、睾丸和心脏中被发现，据报道在卵巢癌细胞中含量升高。尽管有这种表达谱，但该通道的生物物理属性及其在生理学中的作用仍不清楚，因为它迄今为止未能在异源表达系统中传递电流。


	(O’Kelly 等人 2002)。因此，K2P3 正向运输至细胞膜需要磷酸化依赖的普遍存在的可溶性衔接蛋白 14-3-3β 的结合。14-3-3 的结合抑制了 K2P3 与 βCOP 之间的相互作用，βCOP 是一种促进通道在 ER 中滞留的囊泡运输蛋白 (O’Kelly 等人，2002)。βCOP 结合由 K2P3 亚基 N 端和 C 端上的独立碱性基序介导，任何一个位点的破坏都会促进通道正向运输至细胞表面。K2P15 与 K2P3 和 K2P9 具有序列相似性，并且 kcnk15 转录本在胰腺、肝脏、肺、卵巢、睾丸和心脏中被发现，据报道在卵巢癌细胞中含量升高。尽管有这种表达谱，但该通道的生物物理属性及其在生理学中的作用仍不清楚，因为它迄今为止未能在异源表达系统中传递电流。

	=== 10.4.4 碱性激活通道：K2P5、K2P16 和 K2P17 ===		=== 10.4.4 碱性激活通道：K2P5、K2P16 和 K2P17 ===
	K2P5（以前称为 TASK2）最初被认为是 TASK 亚家族的成员，因为它传递受细胞外 pH 变化调节的背景 K+ 电流（Fink 等人，1998 年）。然而，进一步的表征表明，只有当细胞外溶液的 pH 超过 7.5 时，该通道才会传递电流。 K2P16 和 K2P17 （也称为 TALK1 和 TALK2，代表 TWIK 相关的碱性激活 K+ 通道）也因细胞外碱化超过正常水平而被激活，并且像 K2P5 一样，它们在胰腺中以高水平表达。这三个通道都参与介导顶端 K+ 传导，从而促进胰腺外分泌管腔上皮细胞分泌碳酸氢盐。K2P5 与近端小管细胞和肾脏乳头状集合管中的碳酸氢盐处理有关。因此，K2P5 基因敲除小鼠表现出碳酸氢盐重吸收受损、代谢性酸中毒、低钠血症和低血压。基于这些发现，K2P5 在肾性酸中毒综合征中发挥了作用。碱性细胞外 pH 对 K2P5、K2P16 和 K2P17 的门控作用被认为是由于位于第二个 P 环附近的碱性残基（K2P5 和 K2P16 中的精氨酸、K2P17 中的赖氨酸）的中和作用，这些残基会影响 K+ 选择性过滤器的特性。一项使用克隆的 K2P5 亚基串联体的研究表明，两个假定的 pH 传感器都必须中和，二聚通道才能传导。		K2P5（以前称为 TASK2）最初被认为是 TASK 亚家族的成员，因为它传递受细胞外 pH 变化调节的背景 K+ 电流（Fink 等人，1998 年）。然而，进一步的表征表明，只有当细胞外溶液的 pH 超过 7.5 时，该通道才会传递电流。 K2P16 和 K2P17 （也称为 TALK1 和 TALK2，代表 TWIK 相关的碱性激活 K+ 通道）也因细胞外碱化超过正常水平而被激活，并且像 K2P5 一样，它们在胰腺中以高水平表达。这三个通道都参与介导顶端 K+ 传导，从而促进胰腺外分泌管腔上皮细胞分泌碳酸氢盐。K2P5 与近端小管细胞和肾脏乳头状集合管中的碳酸氢盐处理有关。因此，K2P5 基因敲除小鼠表现出碳酸氢盐重吸收受损、代谢性酸中毒、低钠血症和低血压。基于这些发现，K2P5 在肾性酸中毒综合征中发挥了作用。碱性细胞外 pH 对 K2P5、K2P16 和 K2P17 的门控作用被认为是由于位于第二个 P 环附近的碱性残基（K2P5 和 K2P16 中的精氨酸、K2P17 中的赖氨酸）的中和作用，这些残基会影响 K+ 选择性过滤器的特性。一项使用克隆的 K2P5 亚基串联体的研究表明，两个假定的 pH 传感器都必须中和，二聚通道才能传导。

长河：创建页面，内容为“== 10.1 K2P 通道生理学简介 == 细胞接收、整合和处理来自其环境的信息的能力取决于位于质膜上的受体和离子通道的精细调节的运作。质膜上的集合体中有许多类型的 K+ 通道，它们共同作用以控制各种组织的膜电位 (VM) 以及中枢神经系统、心脏和身体肌肉中可兴奋细胞的电活动。因此，了解 K+ 通道功能的结构基础、K+ 通道在生理学中的作用以及调节 K+…”

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== 10.1 K2P 通道生理学简介 ==
细胞接收、整合和处理来自其环境的信息的能力取决于位于质膜上的受体和离子通道的精细调节的运作。质膜上的集合体中有许多类型的 K+ 通道，它们共同作用以控制各种组织的膜电位 (VM) 以及中枢神经系统、心脏和身体肌肉中可兴奋细胞的电活动。因此，了解 K+ 通道功能的结构基础、K+ 通道在生理学中的作用以及调节 K+ 通道在健康和疾病中的活动的因素非常有价值。在这里，我们简要回顾了双孔域 K+ (K2P) 通道。我们讨论了 K2P 通道的结构、功能和病理生理学，以及它们新兴的药理学。这个观点必然是简短的，因此好奇的读者可以阅读探索单个 K2P 通道的结构、功能、病理生理学和药理学具体方面的优秀论文。K2P 通道由人类的 15 个 KCNK 基因编码（图 10.1A），响应各种神经递质、物理化学刺激（例如 pH 值的变化）和药物而打开和关闭（门控）。 K2P 通道具有独特的结构，每个亚基中有四个跨膜结构域 (TMD) 和两个孔 (P) 形成环（图 10.1B）。这些通道在生理电压范围内运行（图 10.1C），因此它们影响

在动作电位触发阈值以下的超极化电压下 VM 的稳定性

以及去极化电位下兴奋事件的形状，包括激活阈值的上升、动作电位的形状、从触发中恢复的速度（Plant 等人，2012 年）

和超极化后。

自 20 世纪 90 年代末发现 kcnk 基因以来，大量新的研究和发现对 K2P 通道的研究推动了背景 K+ 电流的发展，从 Hodgkin、Huxley 和 Katz 的深刻预测（这些预测支撑了神经生物物理学模型）发展到对建立和调节静息状态的分子基础的描述（动作电位从静息状态上升和返回）。K2P 通道也广泛表达于非兴奋性细胞，包括上皮细胞、成纤维细胞和星形胶质细胞，它们在其中调节 K+ 稳态和内分泌功能。

在这里，我们简要概述了 K2P 通道以及调节其生理作用的调节途径。这必然也是时间的快照，因为我们对其运作的机制基础及其在体内的作用范围的理解仍在迅速扩大。事实上，一些 K2P 通道在到达膜表面时几乎没有活性（或者只有当它们携带突变时才通过电流），因此它们的作用仍然很神秘。

图 10.1

双孔域通道的分类和操作。（A）基于每个克隆的 IUPHAR 登录号的 ClustalW 比对计算出的系统发育树，显示人类中发现的 15 个 K2P 亚基的相关性（参见 <nowiki>http://www.iuphar-db.org/DATABASE/VoltageGatedSubunitListForward）。发现</nowiki> K2P8、K2P11 和

K2P14 是先前描述的亚基的同源物，并且不被 IUPHAR 识别。K2P8

相当于 K2P7。迄今为止，尚未观察到 K2P7、K2P12 和 K2P15（灰色文本）的功能表达。

缩写：TWIK，弱内向整流 K+ 通道中的 P 域串联；TREK，TWIK 相关 K+

通道； TRAAK，TWIK 相关的花生四烯酸刺激 K+ 通道；TALK，TWIK 相关的碱激活 K+ 通道；TASK，TWIK 相关的酸敏感 K+ 通道；THIK，TWIK 相关的氟烷抑制 K+ 通道；

TRESK，TWIK 相关的脊髓 K+ 通道。（B）左图：K2P 亚基是具有内部氨基 (N) 和羧基 (C) 末端、四个跨膜结构域 (M1-M4) 和两个成孔 (P) 环的整合膜蛋白。

中间图：从异源表达活性 K2P1 通道的中国仓鼠卵巢细胞记录的电流

（全细胞模式，移液器中装有去 SUMO 化酶）。（改编自 Plant 等人，2010 年。）细胞内部含有 140 mM K+，外部溶液含有 4 mM K+。右图：记录同一细胞，膜两侧均含有 140 mM K+。（C）研究细胞的平均电流-电压关系，如图 B 所示。活性 K2P1 通道显示开放（GHK）整流，在准生理条件下（Δ，4 mM 外部 K+）传递更多外向电流，在对称 140 mM K+ 时呈现线性电流-电压关系（▲）。（D）左图：真菌双 P 结构域亚基有八个跨膜结构域。中间和右边：在 2 mM（中间）或 100 mM 外部 K+（右）中研究表达 TOK1 通道的 Xenopus laevis 卵母细胞记录的电流。（改编自 Ketchum 等人，1995 年。）（E）图 D 中研究的细胞的电流-电压关系显示

向外整流，即电位的偏移，其中测量向外电流时，

外部 K+ 浓度的变化与 K+ 的能斯特电位 (EK) 一致。

双孔域钾通道 153

== 10.2 结构组织和亚基多样性 ==
K2P 亚基首次在芽殖酵母 Saccharomyces cere visiae 和线虫 Caenorhabditis elegans 的基因组中被鉴定出来（Ketchum 等人，1995 年）。酵母通道的每个亚基（称为 TOK1，代表双孔域向外整流 K+ 通道 1）都有两个可折返 P 环和八个 TMD，而蛔虫中的亚基则像高等生物中的同类一样有两个 P 环和四个 TMD（图 10.1）。此后不久，果蝇（Goldstein 等人，1996 年）和哺乳动物（Lesage 等人，1996 年）中描述了具有两个 P 环和四个 TMD 的亚基。

迄今为止，仅在真菌（例如酿酒酵母和粗糙脉孢菌）和机会性病原体（例如白色念珠菌、烟曲霉和新型隐球菌）中发现了具有八个 TMD 的 TOK 样通道（Lewis 等人，2020 年）。除了其独特的亚基结构外，TOK 通道还已知当膜去极化超过 EK（K+ 的能斯特电位）时，会传递大量外向 K+ 电流，但当 VM 低于 EK 时，内向电流很少或没有（图 10.1D）。

具有四个 TMD 的双 P 域 K+ 亚基现在称为 K2P 通道亚基。

由 kcnkØ 编码的 K2PØ 是从果蝇神经肌肉基因库中克隆出来的，并显示出背景 K+ 通道所期望的功能特性（Goldstein 等人，1996 年）。最初被称为 dORK 通道，以反映它们在果蝇中的识别以及作为开放整流和 K+ 选择性孔的运作，克隆的通道和天然背景电流都表现出 Goldman–Hodgkin–Katz (GHK 或

开放) 整流 - 即离子选择性孔使渗透离子更容易从离子浓度较高的一侧穿过膜到达浓度较低的一侧（图 10.1）。因此，哺乳动物细胞内的 K+ 高于细胞外的 K+，这有利于 K+ 在大多数 VM 下流出。此外，与天然背景电流一样，在异源细胞中表达的克隆 K2PØ 通道的打开和关闭几乎不依赖电压和时间。在酵母、蠕虫和果蝇中鉴定出双 P 域通道后的十年中，在人类、大鼠和小鼠的基因组中鉴定出 15 个 K2P 通道亚基的 KCNK 基因（图 10.1A）。哺乳动物通道最初是根据它们通过的电流的生物物理、生理或药理学属性命名的。然而，不同物种和实验系统中的不一致观察结果促使人们在 2005 年采用了正式命名法（Plant 等人，2005 年）。尽管 kcnk 基因编码的蛋白质现在称为 K2P 亚基（并按其编码基因编号，因此为 kcnk1 和 K2P1），但仍使用原始描述性名称来将克隆通道与它们在天然细胞中介导的背景 K+ 电流关联起来。哺乳动物 K2P 通道具有 K2PØ 通道所展示的膜拓扑结构和亚基化学计量：每个亚基有两个 P 环和四个 TMD，氨基和羧基末端位于细胞质中，通道以同型二聚体或异型二聚体的形式运作。人类 K2P1 （Miller 和 Long 2012）和 K2P4（Brohawn、Campbell 和 Mackinnon 2013）获得了 K2P 通道的第一个 X 射线结构，似乎表明通道处于开放状态，这验证了先前从其他类别的 K+ 通道和 K2PØ 通道点突变体的电生理学研究（Kollewe 等人 2009）中得到的同源性模型。因此，两种晶体结构都揭示了双侧对称通道体内的四重对称离子传导孔。出乎意料的是，观察到每个亚基的第一个外部环延伸到质膜外叶外约 35 Å，在孔外口上方形成一个帽域，将 K+ 传导通路的入口分成两部分（图 10.2）。迄今为止，已在包括 K2P1、K2P2、K2P3、K2P4 和 K2P10 在内的所有已解析的 K2P 通道结构上观察到了帽结构域，而其他钾通道中尚未描述该结构域；帽结构域可能解释了由于通道受限，孔阻断肽神经毒素无法作用于 K2P 通道的原因。结构研究还表明，组成全通道的两个 K2P 亚基采用域交换配置。也就是说，每个亚基的外孔螺旋似乎与另一个亚基的内螺旋相互作用，这是一种意想不到的亚基间通信方式（Brohawn、Campbell 和 Mackinnon，2013 年）。此外，几个 K2P 结构包含侧向门户，将离子传导孔暴露于脂质双层的疏水性内部。 K2P1 的晶体结构预测 C 螺旋直接跟随最终 (M4) TMD 并靠近 K2P1 中的细胞内脂质界面。在 K2P4 中，类似的螺旋被建模为第二个 (M2) TMD 的一部分。这些片段在门控中的作用是基于它们在结构中传导孔下方的位置以及先前的报道，即域中残基的突变会改变 K2P 通道活性。

== 10.3 门控 K2P 通道 ==
虽然 K2P 通道可以在生理电压范围内打开，但这并不意味着它们会持续传递 K+ 离子。事实上，认真的生物物理分析表明，大多数 K2P 通道的开放概率很低，并且受到大量调节器和第二信使的精确控制（Plant 等人，2005 年）。降低 K2P 通道活性的调节通路可提高细胞兴奋性，目前已认识到其作用方式有多种：减少细胞表面通道数量、阻塞传导孔、降低单通道电导、降低开放概率或改变离子选择性。相反，那些增加 K2P 通道活性的调节剂会增加 K+ 流出并抑制兴奋性。调节机制因 K2P 通道亚型而异，许多机制依赖于组织。生物物理和结构功能研究表明，K2P 通道的关闭类似于 C 型通道。图 10.2 K2P4 通道的 3D 结构。（A）人类 K2P4 的 X 射线结构的带状表示，分辨率为 2.75 Å。（改编自 Brohawn、Campbell 和 Mackinnon 2013。）为了清晰起见，已移除用于稳定蛋白质的 Fab 片段。从膜平面观察通道，一个亚基为红色，另一个为蓝色，K+ 离子显示为绿色，膜边界为灰色。建议使用结构未解析的环路虚线表示。（B）旋转~45° 的通道视图，展示了独特的域交换，其中外孔螺旋与另一个亚基的内螺旋相互作用，而不是与自己的内螺旋相互作用。还要注意孔外口上方约 35 Å 的帽域，它将 K+ 传导途径的入口分成两部分。

双孔域钾通道 155

电压门控 K+ 通道中发生的失活，即选择性过滤器处 K+ 渗透途径的收缩（Zilberberg、Ilan 和 Goldstein 2001；Lolicato 等 2020）。事实上，通过通道体的变构耦合整合了细胞质 C 端的物理化学和第二信使信号，从而影响通道的 C 型闭合（Zilberberg、Ilan 和 Goldstein 2001）。尽管大多数 K2P 通道的门控是电压独立的，但超家族的一些成员可以在特定调节途径的影响下表现出电压依赖性门控。例如，蛋白激酶 A (PKA) 介导的 Ser348 上 K2P2 的磷酸化迅速将该通道从开放整流器转变为海马神经元和异源表达中的电压依赖性通道 (Bockenhauer、Zilberberg 和 Goldstein 2001)。

== 10.4 K2P 通道的调节和细胞生物学 ==
在这里，我们总结了通过蛋白质序列相似性识别的六个 K2P 通道亚家族的调节和细胞生物学，这些亚家族通常具有共同的调节和生物物理属性。

=== 10.4.1 K2P1、K2P6 和 K2P7 通道 ===
K2P1 通道的研究令人兴奋，有时令人困惑，但最终非常有用。 K2P1 由 kcnk1 基因编码，最初命名为 TWIK1，代表弱内向整流 K+ 通道中的 P 结构域串联（Lesage 等人，1996 年），其功能属性在异源表达系统中被证明是神秘的。然而，研究人员受到以下观察结果的激励：在特定组织（包括胎盘、肺、肾、心脏和中枢神经系统）中检测到高水平的转录本（Talley 等人，2001 年，Lesage 等人，1996 年），并且一旦获得经过验证的抗体，就会在小脑颗粒神经元中显示 K2P1 蛋白（Plant 等人，2012 年）。尽管在天然细胞中具有广泛的表达谱，但 K2P1 通道几乎没有或没有电活动，从而妨碍了通道的可重复表征或药理学工具的开发。一些研究小组提出了一些发现来解释 K2P1 通道的低活性：尽管在质膜上表达，但通道仍被 SUMO 化沉默，通道的快速内吞作用将它们从表面移除，以及孔的疏水性脱湿。SUMO 化是一种酶介导的翻译后修饰，发生在所有细胞中以调节转录因子活性，它将三个 ~100 个氨基酸的小泛素样修饰 (SUMO) 蛋白中的一个与特定识别基序内赖氨酸残基的 ε-氨基连接起来。尽管人们认为 SUMO 化不会发生在细胞核外，但当 SUMO 被 SUMO 特异性蛋白酶 (SENP) 从膜定位的 K2P1 通道上切下时，或当 SUMO 化位点 (K2P1-Lys274) 发生突变以防止 SUMO 与通道共价连接时，观察到了 K+ 选择性电流 (Rajan 等人，2005 年)。目前已知 SUMO 化通过膜表面的酶调节一系列离子通道的活性，包括电压门控钾通道和钠通道。SUMO 化反应迅速，由缺氧等环境刺激引起，并由一大家族的脱 SUMO 化酶逆转 (Plant 等人，2020 年)。与许多其他 SUMO 底物一样，由于快速去 SUMO 化 (Feliciangeli 等人，2007)，SUMO 化 K2P1 在洗涤剂纯化后很难纯化；相反，通过电生理学、FRET 光谱和单分子荧光显微镜对活细胞进行的研究表明，大多数通道与 SUMO 有关 (Plant 等人，2010)。在对 MDCK 和 HEK293 细胞的研究中，K2P1 从质膜快速内吞循环也与低通道活性有关。该过程依赖于 K2P1 二异亮氨酸基序控制下的动力蛋白，因此 Ile293 和 Ile294 的突变会在异源表达时产生可测量的电流。此外，K2P1 被发现与 ARF6 相关，ARF6 是一种调节上皮细胞顶端表面内吞作用的小 G 蛋白 (Decressac 等人，2004)。

在解决人类 K2P1 的晶体结构后，离子渗透的分子动力学模拟 (MDS) 在选择性过滤器下方的通道内前庭中发现了一个“疏水袖口”，由四个残基组成：M2 上的 Leu146 和 M4 上的 Leu261，来自每个亚基 (Aryal 等人，2014；Miller 和 Long，2012)。MDS 揭示了袖口的随机运动限制了水分子进入孔的内部入口，为 K+ 离子的渗透形成能量屏障。基于此模型，用亲水残基替换 Leu146 产生了 K2P1 通道变体，该变体在 Xenopus 卵母细胞中传递了强大的电流（Aryal 等人，2014 年）。确定 SUMO 化、快速内吞作用和疏水门控屏障如何单独或共同对天然细胞中 K2P1 的调节作出贡献仍然是一个活跃的研究领域，该领域受到 K2P1 基因敲除小鼠在多种组织（包括胰腺 β 细胞和肾脏）中表现出生理改变的观察结果的推动。同样，K2P1 已被证明在心脏生理学中发挥作用，在低钾条件下介导心肌细胞的矛盾去极化。 K2P1 的神秘特性可部分归因于其与 K2P3 和 K2P9 亚基的异二聚化，这已在大鼠神经元和异源表达中得到证实。因此，各种同源和异源通道具有不同的特性，例如，响应挥发性卤代醚类麻醉剂及其通过 SUMO 化调节的特性，后者通过将 K2P1 掺入混合复合物而赋予 SUMO 不敏感的 K2P3 和 K2P9（Plant 等人，2012 年）。TWIK 亚家族还包括 K2P6（TWIK2、KCNK6）和 K2P7（Kcnk8、KCNK7）亚基。K2P6 亚基与 K2P1 具有 34% 的序列同一性，与 K2P7 亚基具有 94% 的同源性。尽管转录本和蛋白质表达广泛，但迄今为止，两者在电学上仍保持沉默。

=== 10.4.2 K2P2、K2P4 和 K2P10 通道：多模态变阻器 ===
K2P2（或 TREK1，用于 TWIK 相关 K+ 通道 1）和 K2P4（或 TRAAK，用于 TWIK 相关花生四烯酸激活 K+ 通道）在整个中枢和周围神经系统（Lesage 等人，1996 年，Fink 等人，1998 年）以及心房和心室肌细胞中表达。神经元 K2P2 通道的功能特性受一种新型调节的影响，这种调节导致 Na+ 通过通道渗透，从而改变细胞兴奋性。由于 kcnk2 基因的 Kozak 较弱，起始序列翻译也可以从第二个密码子开始，从而生成 K2P2Δ，这是一种缺少前 56 个残基的通道变体 (Thomas 等人，2008)。kcnk2 mRNA 的这种替代翻译起始 (ATI) 受到大脑区域和发育过程中的调控。K2P2Δ 通道具有截短的细胞内 N 端，可改变 K+ 传导途径的运作，使 Na+ 离子在生理条件下通过，相对渗透性为 0.18，而 K+ 则几乎比全长通道 (0.02) 高一个数量级 (Thomas 等人，2008)。双孔域钾通道 157

K2P2、K2P4 和 K2P10 通道的活性也受多种脂质的调节，包括花生四烯酸、神经递质激活的 G 蛋白偶联受体途径、麻醉剂和药物。其他几项研究报告了该 K2P 通道家族受温度和膜拉伸变化的调节（Maingret 等人，2000 年）。由于这些刺激可以同时发生，因此 K2P2 通道被认为是多模态信号整合器。据报道，K2P2 和 K2P4 通道的温度敏感性有助于伤害性神经元的热调节。这些通道的活性随着体温升高到正常值以上（37°C）而增加，并在有害热阈值（>~43°C）时再次下降。因此，预计增加的活动会抑制伤害感受器的兴奋性，直至检测有害热量的阈值，超过此阈值，背景 K+ 电流的减少将促进兴奋性。K2P2 和 K2P4 通道的电流幅度每升高 10°C 增加约六倍，例如 Q10 = 6。相比之下，TRPV 通道家族的 Q10 接近 20。TRPV1 通道在有害热量下打开，而 TRPV3 和 TRPV4 通道在 30°C 以上的更温和温度下激活。目前尚不清楚 K2P2 和 K2P4 的温度调节是否直接影响通道，或者因为温度变化会改变第二信使途径、磷酸化级联或游离脂肪酸浓度，然后作用于通道以改变活性。无论机制如何，研究结果表明 K2P2 和 K2P4 通道作为热变阻器发挥作用，调节神经元对温度变化的响应。

K2P2 通道的运作受蛋白激酶 A 依赖性 Ser348 磷酸化的调节。这种调节变化迅速而显著，因为它将海马细胞中 K2P2 通道的门控从开放整流转变为电压依赖性（Bockenhauer、Zilberberg 和 Goldstein 2001）。此外，似乎磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸 (PIP2) 的细胞内浓度增加会将 K2P2 通道的电压依赖性转变为超极化zed 电位，在生理电压范围内增加电流幅度 (Lopes 等人，2005)。

=== 10.4.3 酸敏感通道：K2P3 和 K2P9 ===
最初称为 TASK1 和 TASK3，用于 TWIK 相关的酸敏感 K+ 通道 1 和 3，K2P3 (Duprat 等人，1997) 和 K2P9 (Rajan 等人，2001) 传递 K+ 选择性电流，这些电流被 P1 环 (Gly-Tyr-Gly-His) 中孔外口的组氨酸残基的质子化所阻断 (Lopes 等人，2000)。这种 pH 调节机制与 K2P1 相同。K2P3 和 K2P9 通道在整个中枢和周围神经系统中表达，它们有助于维持 VM。因此，酸化通过减少 K2P3 和 K2P9 通道中的 K+ 电流使神经元去极化 (Talley 等人，2001)。

K2P3 也在肾脏、肾上腺肾小球细胞、心脏传导通路和颈动脉体中表达，它们被定位为在酸中毒和缺氧时使 1 型肾小球细胞去极化。虽然 TASK 不是唯一受 pH 调节的通道，但背景 K+ 电流幅度的变化与体感神经元在酸化反应中去极化的缓慢动力学密切相关。

K2P3 和 K2P9 亚基也值得注意，因为它们形成异二聚体 TASK 通道 (Czirjak 和 Enyedi 2002)，对酸化和辛辣刺激物（如花椒中的活性成分羟基-α-山椒素）具有不同的敏感性。如前所述，K2P3 和 K2P9 与 K2P1 亚基共同组装，在中枢神经元中形成异二聚体、SUMO 和 pH 调节通道 (Plant 等人 2012)。

K2P3 和 K2P9 的表面水平受到信号传导基序的反向作用的严格调节，这些基序决定了通道在内质网 (ER) 中的保留

(O’Kelly 等人 2002)。因此，K2P3 正向运输至细胞膜需要磷酸化依赖的普遍存在的可溶性衔接蛋白 14-3-3β 的结合。14-3-3 的结合抑制了 K2P3 与 βCOP 之间的相互作用，βCOP 是一种促进通道在 ER 中滞留的囊泡运输蛋白 (O’Kelly 等人，2002)。βCOP 结合由 K2P3 亚基 N 端和 C 端上的独立碱性基序介导，任何一个位点的破坏都会促进通道正向运输至细胞表面。K2P15 与 K2P3 和 K2P9 具有序列相似性，并且 kcnk15 转录本在胰腺、肝脏、肺、卵巢、睾丸和心脏中被发现，据报道在卵巢癌细胞中含量升高。尽管有这种表达谱，但该通道的生物物理属性及其在生理学中的作用仍不清楚，因为它迄今为止未能在异源表达系统中传递电流。

=== 10.4.4 碱性激活通道：K2P5、K2P16 和 K2P17 ===
K2P5（以前称为 TASK2）最初被认为是 TASK 亚家族的成员，因为它传递受细胞外 pH 变化调节的背景 K+ 电流（Fink 等人，1998 年）。然而，进一步的表征表明，只有当细胞外溶液的 pH 超过 7.5 时，该通道才会传递电流。 K2P16 和 K2P17 （也称为 TALK1 和 TALK2，代表 TWIK 相关的碱性激活 K+ 通道）也因细胞外碱化超过正常水平而被激活，并且像 K2P5 一样，它们在胰腺中以高水平表达。这三个通道都参与介导顶端 K+ 传导，从而促进胰腺外分泌管腔上皮细胞分泌碳酸氢盐。K2P5 与近端小管细胞和肾脏乳头状集合管中的碳酸氢盐处理有关。因此，K2P5 基因敲除小鼠表现出碳酸氢盐重吸收受损、代谢性酸中毒、低钠血症和低血压。基于这些发现，K2P5 在肾性酸中毒综合征中发挥了作用。碱性细胞外 pH 对 K2P5、K2P16 和 K2P17 的门控作用被认为是由于位于第二个 P 环附近的碱性残基（K2P5 和 K2P16 中的精氨酸、K2P17 中的赖氨酸）的中和作用，这些残基会影响 K+ 选择性过滤器的特性。一项使用克隆的 K2P5 亚基串联体的研究表明，两个假定的 pH 传感器都必须中和，二聚通道才能传导。

=== 10.4.5 K2P12 和 K2P13 通道 ===
K2P12 和 K2P13（或分别为 THIK2 和 THIK1，用于 TWIK 相关的氟烷抑制的 K+ 通道 2 和 1）在心脏、骨骼肌和胰腺中高度表达（Rajan 等人，2001 年）。原位杂交表明，这两个亚基也在近端小管、粗升支、人类肾脏的皮质集合管和中枢神经系统中表达。与其他 K2P 克隆一样，K2P13 通道在异源表达时传递 K+ 选择性漏电流。这些电流对 pH、温度和游离脂肪酸的生理变化不敏感。与许多其他 K2P 通道不同，K2P13 电流被挥发性卤化麻醉剂（如 Ki 为 2.8 mM 的卤烷）抑制（Rajan 等人，2001 年）。抑制 K2P13 样传导已被提议激活后梯形核中的中枢呼吸化学感受器神经元，并且这种机制被认为可以在麻醉期间保持足够的呼吸运动活动和通气。

尽管 K2P12 克隆被运输到质膜，但在实验系统中不会传递电流。K2P12 的共表达似乎也不会影响 K2P13 传递的电流的大小，这表明这些通道亚基不会形成异二聚体（Rajan 等人，2001 年）。

=== 10.4.6 K2P18 通道与疼痛的病理生理学 ===
人类基因组中最后一个被识别的 K2P 通道 K2P18（也称为 TRESK，代表 TWIK 相关脊髓 K+ 通道）的转录本已在人类脊髓中发现（Sano 等人，2003 年）。与其他 K2P 通道一样，K2P18 通道传递 K+ 选择性电流并起到开路整流器的作用。

K2P18 通道的活性受细胞内 Ca2+ 浓度的调节。细胞浆 Ca2+ 的增加会激活钙调蛋白依赖性蛋白磷酸酶钙调磷酸酶，这会导致细胞内丝氨酸（Ser264）去磷酸化，从而阻止 14-3-3 蛋白的结合，而 14-3-3 蛋白会影响通道的表面表达和活性。 K2P18 因其在脊髓以及三叉神经和背根神经节中的表达而引人注目，据推测，它传递了很大一部分背景 K+ 电流，而这决定了躯体感觉伤害性纤维的兴奋性。

K2P18 通道与疼痛的正式相关性是通过与家族性先兆偏头痛相关的 kcnk18 基因中的移码突变 (F139WfsX24) 的关联提供的 (Lafreniere 等人，2010)。K2P18 的 F139WfsX24 变体在 162 个残基处被截断，似乎充当显性负亚基来抑制野生型 K2P18 通道的功能。

== 10.5 药理学和 K2P 通道在病理生理学中的作用的新观点 ==
尽管有越来越多的证据表明 K2P 通道与疾病有关，但我们对其在病理生理学中的作用的理解并不完整。这方面的进展缓慢，部分原因是一些通道在异源表达上不传递电流，并且 K2P 亚基在体内作为异二聚体运作时属性发生变化 (Plant 等人，2012 年；Lengyel 等人，2020 年)。K2P 通道特异性高亲和力配体的缺乏也是识别和表征这些蛋白质在疾病状态中的作用的限制因素。然而，单细胞高容量基因组学的最新进展揭示了 KCNK 基因的表达谱在不同病理生理过程中如何变化。一个突出的例子是各种肿瘤和癌细胞系中几种 K2P 通道的转录水平增加（Zuniga 等人，2022 年；Arevalo 等人，2022 年）。虽然敲除策略表明 K2P 通道在癌细胞的增殖和迁移中发挥作用，但 K2P 通道表达的变化可能被证明是继发于驱动转移潜能的其他致癌因素。随着 K2P 通道结构的阐明和高通量技术的应用，寻找选择性 K2P 通道药效团来表征通道的作用的研究正在推进。虽然迄今为止解决的 K2P 通道结构中存在的独特帽结构域可保护外部孔免受较大的经典 K+ 通道阻滞剂（如蛋白质神经毒素）的渗透，但计算化学和分子动态模拟已开始识别通道体内的药物结合位点，包括 K2P2 孔后面的结合口袋，可协调小分子通道激活剂 (Lolicato 等人，2017 年)。其他努力集中在有希望的小分子上，例如 3-苯甲酰胺苯甲酸的衍生化产生了 K2P3 的孔阻滞剂，用于证明该通道在乳腺癌细胞系 MCF-7 增殖中的作用 (Arevalo 等人，2022 年)。

== 10.6 结论 ==
在过去的二十年中，对通过背景 K+ 电流的通道的识别和研究促进了我们对它们的生物物理操作的理解，并开始揭示它们在各种组织中的作用。K2P 通道在兴奋性膜功能的所有阶段都活跃，影响静息 VM 的稳定性、去极化电压下兴奋性事件的形状（Plant 等人，2012 年）以及从兴奋中恢复。这些通道会根据麻醉剂、pH、温度和膜拉伸等各种影响改变其活性水平，并受 SUMOylat 的调节离子去SUMO化、激酶、磷酸酶、GPCR、脂质和运输途径 (Plant 等，2005)。K2P 通道在临床疾病中发挥作用，包括与低钾血症 (K2P1) 相关的心律失常、肿瘤发生 (K2P9) 和疼痛 (K2P18) (Lafreniere 等，2010)。尽管我们正在了解 K2P 通道在不同组织中不同时间的作用，但在许多情况下，我们尚未发现它们的作用，最值得注意的是，分离物迄今为止未能表现出离子传导，尽管在质膜上表达。其新兴作用的广度表明，尽管 K2P 通道最近才被加入到已知分子身份的 K+ 通道家族中，但它们仍然是极具吸引力的组织特异性治疗靶点，而药典的制定将加速阐明它们在生理学和疾病中的作用。

双孔钾离子通道 - 版本历史

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