常染色体显性多囊肾病（ADPKD）是一种常见的遗传性疾病，约每1000人中就有1人患病，主要表现为肾脏多发囊肿并逐渐增大，最终导致肾功能障碍。该病由PKD1/PKD2基因突变引起，其编码的多囊蛋白-1（PC1）与多囊蛋白-2（PC2）形成定位于初级纤毛的Ca²⁺通透离子通道复合物。纤毛富集的独特脂质（如7β、27-DHC等）对该通道功能具有关键调控作用，但其门控机制尚不明确。

近日，西湖大学施一公院士团队在《Nature Communications》上发表了一篇题为《Structural basis of lipid-dependent allosteric gating mechanisms for PC1-PC2 ion channel》的研究论文。该研究利用冷冻电镜技术，解析了野生型（WT）PC1-PC2通道在2.3–3.2 Å分辨率下的三种构象，识别了孔道内结合的磷脂分子及第三个PC2亚基的动态变化；同时，还解析了功能获得型（GOF）PC1-PC2通道（即AA通道）的四种构象及7β,27-DHC结合结构，揭示了脂质通过变构作用调控通道孔道的分子机制，为理解PC1-PC2通道的脂质依赖性门控提供了重要见解。

研究团队利用冷冻电镜解析了PC1-PC2通道在不同状态下的高分辨率结构。在野生型（WT）通道中，内源性磷脂（如PG、PA）通常阻塞在孔道中央，使通道处于失活状态。通过对比不同构象（WT-Class I/II 与 WT-Class III），发现当磷脂解离时，伴随着第三个PC2亚基的TOP结构域（TOPIII）和电压感受域（VSDIII）发生显著的旋转，通道进入一种无磷脂的“预开放”状态。电生理实验进一步证实，人为突变磷脂结合残基（如R4094D、R4100D）可破坏孔道内的磷脂结合，从而诱导通道产生功能获得型（GOF）电流。

图1. PC1-PC2通道的脂质诱导失活与变构激活。

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图2.在孔道结构域中设计的用于削弱磷脂结合的突变，能够增强PC1-PC2通道的活性。

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研究团队进一步解析了功能获得型（GOF）PC1-PC2通道（PC2上携带L677A/N681A双突变，简称AA突变体）——即AA通道的四种连续构象（Class I至IV）。结构显示，随着TOPIII/VSDIII逐步向外旋转（最高达120°），孔道内的关键阻塞磷脂结合空腔的残基（PC1-Leu4099和PC2-Phe676）发生位移，导致离子渗透路径逐步扩大。在AA-Class IV中，孔道最窄处的半径增加至约1.7 Å，足以让部分水合的阳离子通过，确认为离子传导的开放状态。突变体验证了收缩位点2（constriction site 2）在调节离子渗透中的核心作用。

图3. GOF PC1-PC2通道（L677A/N681A）的门控展示了TOPIII的逐步运动。

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既往研究发现7β,27-DHC被认为是PC1-PC2通道的激活剂。结构解析显示，在7β,27-DHC存在下通道呈现三种构象（其中两种与WT-Class I/II类似，另有一种新构象WT-Class IV）。在新构象WT-Class IV中，由S1III/S4III、S5PC1/S6bPC1、S5III/S6III和S4-S5III形成的空腔内存在一个明确的7β,27-DHC结合位点，该分子被多个疏水残基（如L224, L228, L4031等）包裹，并通过氢键和阳离子-π相互作用进一步稳定。质谱分析证实了重组蛋白与该分子的特异性结合，且结合口袋突变体（G4028W、E4025R）的结合量显著减少。

图4. 激活剂7β,27-DHC楔入由PDPC1和PC2III相邻片段形成的空腔，并变构调节孔道大小。

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综合所有结构数据，团队提出了PC1-PC2通道的机械-脂质门控模型。在没有刺激时，内源性磷脂（PG/PA）像“门闩”一样锁住通道。当受到刺激（如机械力）时，“门闩”拔出，TOPIII/VSDIII像“旋转门”一样摆动进入中间态（WT-Class III）。在纤毛微环境中，高浓度脂质7β,27-DHC像“楔子”一样卡入结构，迫使旋转门进一步转动，使通道进入更开放但仍为非导电的状态。

图5. PC1-PC2通道在不同细胞器上的工作模型。

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综上，PC1-PC2通道的门控是一个由脂质分子（门闩与楔子）和蛋白质亚基（变构旋转）协同调节的精密过程。7β,27-DHC作为内源性“楔子”，通过变构效应重塑孔道几何形状，是维持纤毛正常生理功能的关键。