[论文解读] Quantized Dehydration and the Determinants of Selectivity in the NaChBac Bacterial Sodium Channel

O. A. Fedorenko, Igor Khaimovich Kaufman+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Ion channel regulation and function参考文献 40被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种具有量化脱水效应的离子库仑阻塞（ICB/QD）模型，以解释细菌NaChBac钠通道中的离子选择性。通过结合定点诱变、全细胞膜片钳记录和理论建模，研究发现选择性过滤器处的有效固定电荷 $Q_{f}^{*}$（因质子化而降低）决定了选择性转变，并首次在生物离子通道中观测到ICB振荡现象。

ABSTRACT

A discrete electrostatic/diffusion model has been developed to describe the selective permeation of ion channels, based on ionic Coulomb blockade (ICB) and quantised dehydration (QD). It has been applied to describe selectivity phenomena measured in the bacterial NaChBac sodium channel and some of its mutants. Site-directed mutagenesis and the whole-cell patch-clamp technique were used to investigate how the value $Q_f$ of the fixed charge at the selectivity filter (SF) affected both valence and alike-charge selectivity. The new ICB/QD model predicts that increasing ${Q_f}$ should lead to a shift of selectivity sequences towards larger ion sizes and charges, a result that agrees with the present experiments and with earlier work. Comparison of the model with experimental data provides evidence for an {\it effective charge} $Q_f^*$ at the SF that is smaller in magnitude than the nominal $Q_f$ corresponding to the charge on the isolated protein residues. Furthermore, $Q_f^*$ was different for aspartate and glutamate charged rings and also depended on their position within the SF. It is suggested that protonation of the residues within the restricted space is an important factor in significantly reducing the effective charge of the EEEE ring. Values of $Q_f^*$ derived from experiments on the anomalous mole fraction effect (AMFE) agree well with expectations based on the ICB/QD model and have led to the first clear demonstration of the expected ICB oscillations in Ca$^{2+}$ conduction as a function of the fixed charge. Pilot studies of the dependence of Ca$^{2+}$ conduction on pH are consistent with the predictions of the model.

研究动机与目标

• 为解析细菌NaChBac通道中离子选择性的物理起源，特别是选择性过滤器处名义电荷与功能电荷之间的差异。
• 研究改变固定电荷（$Q_f$）和残基身份（天冬氨酸与谷氨酸）的突变如何影响价态选择性和同种电荷选择性。
• 将具有量化脱水效应的离子库仑阻塞（ICB/QD）模型的预测与导通率和异常摩尔分数效应（AMFE）的实验数据进行对比。
• 确定有效电荷 $Q_f^*$（考虑质子化和静电屏蔽效应）是否比名义电荷 $Q_f$ 更好地解释实验测得的Eisenman序列和Ca²⁺阻断阈值。

提出的方法

• 通过定点诱变构建NaChBac突变体，系统改变第191位和第192位的固定电荷（$Q_f^{nm}$）（例如E191D、S192K、S192E）。
• 利用全细胞膜片钳电生理技术测量各突变体中Na⁺/Ca²⁺的电导率和二价离子阻断阈值。
• 开发并应用ICB/QD模型，将离子库仑阻塞与量化脱水效应相结合，预测$Q_f^*$函数下的离子渗透与选择性。
• 从AMFE数据计算有效电荷$Q_f^*$，并与模型预测值比较，以验证ICB/QD框架的可靠性。
• 开展pH依赖性实验，探究质子化效应对$Q_f^*$的影响，特别是在D-环和E-环突变体中。
• 将实验结果映射到ICB电导与$Q_f^*$的关系曲线中，识别阻断点和共振电导点（如$Z_1$、$M1$、$Z_2$）。

实验结果

研究问题

• RQ1 NaChBac选择性过滤器处的有效固定电荷$Q_f^*$与名义电荷$Q_f$有何不同？其降低的原因是什么？
• RQ2 增加$Q_f^*$是否会如ICB/QD模型预测的那样，使Eisenman选择性序列向更大离子半径和更高价态移动？
• RQ3 为何具有相同名义$Q_f$（如-4或-8）但残基身份不同（天冬氨酸与谷氨酸）的突变体表现出不同的渗透特性？
• RQ4 ICB/QD模型能否解释NaChBac突变体中的异常摩尔分数效应（AMFE）和二价离子阻断现象？
• RQ5 是否存在生物离子通道中离子库仑阻塞（ICB）振荡的实验证据？这些振荡是否与$Q_f^*$相关？

主要发现

• 选择性过滤器处的有效固定电荷$Q_f^*$在数值上显著小于名义$Q_f$，表明存在强烈的静电屏蔽或质子化效应。
• 具有相同名义$Q_f$但残基身份不同的突变体（如E191D与S192E）表现出不同的$Q_f^*$值，其中天冬氨酸环的等效电荷低于谷氨酸环。
• ICB/QD模型成功预测：随着$Q_f^*$增加，Eisenman选择性序列向更大离子半径和更高价态移动，与实验观察结果一致。
• LDEWAS突变体表现出明确的$Z_2 \to -4e$ Ca²⁺库仑阻断点，LEDWAS突变体则显示出共振电导点$M1 \to -3e$，首次提供了生物离子通道中ICB振荡的实验证据。
• LESWAS突变体表现出$Z_1 \to -2e$阻断点，且对pH不敏感，与ICB图谱中Ca²⁺停止带的位置一致。
• LDSWAS突变体表现出pH依赖的Ca²⁺电流下降，与ICB模型预测不符，提示需进一步研究质子化动力学或构象效应。