Advanced Healthcare Materials: 细胞钾离子通道的远程调控

细胞功能的时空调节为理解生理和病理过程的机制提供了重要手段。钾离子通道在生理和病理过程中发挥重要作用,其功能异常与安德森氏综合征、进行性高频听力丧失、发作性共济失调、长QT综合征和遗传性癫痫等疾病密切相关。因此,实现钾通道的远程和精确控制将为相关疾病的治疗提供新的思路。光遗传学技术将遗传学与光学技术相结合,可实现对细胞活性和生理功能的调控。氧化石墨烯(GO)和还原型氧化石墨烯(rGO),由于其在近红外区具有较宽的吸收,具有突出的光热治疗效果,已广泛应用于光热疗法和细胞活性的调控。

近期,河北工业大学邢成芬教授课题组与中国科学院化学研究所王树研究员合作,利用还原型氧化石墨烯(rGO)的光热效应实现了对细胞钾离子通道的远程调控。该工作中,通过化学反应将钙调蛋白(CaM)结合肽和GO共价连接,并将氧化石墨烯转变为还原型氧化石墨烯,得到光热转换效率44.3%的肽修饰的rGO(rGO-P)。该研究中选择了三种不同类型的钾离子通道:电压门控钾离子通道Kv10.1、小电导钙激活钾离子通道SK2以及内向整流钾离子通道Kir2.1。对于Kv10.1通道,离子通道一个亚基的环核苷酸同源结构域与CaM的C末端连接,Kv10.1的另一个亚基的PAS结构域与CaM的N末端结合,当Ca2+与CaM结合时,CaM/Ca2+复合体使Kv10.1通道处于关闭状态。对于SK2通道,其通过CaM结合域与CaM形成复合体,当Ca2+与CaM结合时,SK2通道被打开。而Kir2.1通道与CaM没有结合位点,因此CaM的活性对Kir2.1的电流没有影响。由钙调蛋白结合肽修饰的还原型氧化石墨烯(rGO-P)作为光热转换材料,通过对CaM的光热失活来实现钾通道活性的远程控制。CaM在NIR光照射下,与rGO-P结合的CaM/Ca2+复合体被rGO-P的光热作用失活。因此,活细胞中关闭的Kv10.1通道变成开放。同时,诱导SK2通道从开放变为关闭状态,Kir2.1通道则不受细胞内CaM失活的影响。

这一策略提供了一种无创、高效的方式来远程调控钾离子通道的功能,实现了多重细胞通路的调控。相关工作以“Remote-Controlling Potassium Channels in Living Cells through Photothermal Inactivation of Calmodulin”为名,发表在Advanced Healthcare Materials (DOI:10.1002/adhm.201800674)上,第一作者为柴燃博士。

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