在神经精神疾病治疗领域，电压门控离子通道（VGICs）因其在控制神经元兴奋性和肌肉收缩中的关键作用而备受关注。异常的VGIC功能与多种疾病相关，包括癌症、疼痛和癫痫脑病等，这促使了针对VGICs的调节剂开发。目前，约15%的FDA批准的小分子药物通过抑制VGICs发挥作用，但传统的VGIC靶向药物大多是孔道阻断剂，由于VGICs在孔道区域的高度序列同源性和结构相似性，实现选择性抑制仍然是一个挑战。例如，奎尼丁作为一种I类抗心律失常药物，同时阻断钠和钾电流，其非选择性作用可能导致QT间期延长等副作用。因此，探索新的抑制机制和开发非阻断型VGIC抑制剂以提高选择性和减少非靶向效应是当前研究的热点。结构生物学的发展，尤其是冷冻电镜（cryo-EM）技术，为VGIC抑制剂的发现和开发提供了新的策略。通过cryo-EM技术，研究者可以详细解析VGICs的结构，从而设计出更有效的调节剂。分子动力学（MD）模拟技术在研究VGICs的动态行为和药物作用机制中也发挥了重要作用，通过MD模拟，研究者可以观察到药物与通道相互作用的动态过程，验证和补充实验结果。在临床应用领域，KCNQ2通道的GOF突变与多种神经系统疾病相关，如智力障碍、脑病和自闭症谱系障碍等，因此，开发有效的KCNQ2抑制剂对于治疗这些疾病具有重要的临床意义。

华东师范大学阳怀宇、张乾森和浙江大学郭江涛等人发现了两种小分子调节剂Ebio2和Ebio3，它们对KCNQ2钾通道具有相反的调节作用。Ebio2作为激活剂，Ebio3作为抑制剂。其中，Ebio3通过独特的非阻断机制抑制KCNQ2通道，为开发新型抑制剂提供了重要依据。相关内容以“Small molecule inhibits KCNQ channels with a non-blocking mechanism”为题发表在《Nature Chemical Biology》上。

【主要内容】

图1 小分子调节剂Ebio2和Ebio3对KCNQ2通道的电生理特性的影响

图中包括了Ebio2和Ebio3的化学结构，以及它们对KCNQ2通道电流的激活和抑制作用。Ebio2在10 nM浓度下显著增强了KCNQ2通道的外向电流，而Ebio3则显著抑制了这些电流。此外，图中还展示了Ebio3对KCNQ2通道的亚型选择性，表明Ebio3对KCNQ2具有高度的选择性，对其他KCNQ通道亚型的影响较小。

图2 KCNQ2与Ebio2结合的冷冻电镜结构

图中呈现了KCNQ2通道在Ebio2激活下的整体结构模型，包括KCNQ2通道的离子传导孔域（PD）和电压感应域（VSD）。Ebio2结合在KCNQ2通道的外侧口袋中，通过疏水相互作用、氢键和π-π堆积与通道上的多个残基相互作用，稳定了开放的内门。Ebio2的酰胺基团与S6II上的L299和S5I上的W236形成氢键，而其吲哚基团与W236通过π-π堆积相互作用。这些相互作用共同作用，使KCNQ2通道的内门保持开放状态，从而激活通道。

图3 KCNQ2与Ebio3结合的冷冻电镜结构

图中呈现了KCNQ2通道在Ebio3抑制下的整体结构模型，包括KCNQ2通道的离子传导孔域（PD）和电压感应域（VSD）。Ebio3结合在KCNQ2通道的外侧口袋中，通过疏水相互作用、氢键和π-π堆积与通道上的多个残基相互作用，导致S6螺旋向内移动，关闭了内门，从而抑制了KCNQ2通道的活性。Ebio3的酰胺基团与S6II上的S303和S5I上的W236形成氢键，而其吲哚基团与W236通过π-π堆积相互作用。这些相互作用共同作用，使KCNQ2通道的内门关闭，从而抑制通道。

图4 Ebio3对KCNQ2通道的抑制机制

图中比较了Ebio3结合和Ebio2结合的KCNQ2结构，揭示了Ebio3通过挤压S6门控螺旋来关闭KCNQ2通道的分子机制。Ebio3和Ebio2共享一个吲哚衍生物片段，但Ebio3的长疏水尾部插入到S6螺旋外侧的一个更深的疏水口袋中，与L312残基发生碰撞，导致S6螺旋向内移动，显著挤压内门使其关闭。图中还展示了通过分子动力学模拟得到的内门直径变化，进一步支持了Ebio3的非阻断抑制机制。

图5 Ebio3对KCNQ2通道的GOF（功能获得）突变的抑制效果

图中首先展示了KCNQ2通道上一些与疾病相关的GOF突变位点的结构映射。接着，通过电生理学实验，作者团队评估了Ebio3对这些GOF突变（包括R75C、I238L、R144Q、R198Q和R201C等）的抑制效果。实验结果显示，Ebio3在10 nM浓度下对这些GOF突变均表现出强效抑制作用，能够显著减少这些突变通道的外向电流。这些结果表明，Ebio3不仅对野生型KCNQ2通道具有强效抑制作用，还能有效抑制KCNQ2的GOF突变。

【全文总结】

本文研究了两种小分子调节剂Ebio2和Ebio3对KCNQ2钾通道的调节作用。Ebio2作为激活剂，Ebio3作为抑制剂，两者具有相同的化学骨架但功能相反。通过电生理学实验、冷冻电镜结构解析和分子动力学模拟，研究揭示了Ebio3通过独特的非阻断机制抑制KCNQ2通道，即Ebio3的长疏水尾部插入S6螺旋外侧的疏水口袋，导致S6螺旋向内移动，关闭内门。此外，Ebio3对KCNQ2的GOF突变也表现出强效抑制作用，为相关疾病的治疗提供了新的潜在药物候选。这些发现不仅增进了对KCNQ2通道调节机制的理解，也为开发新型非阻断型VGIC抑制剂提供了重要的理论和实验基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41589-024-01834-8

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