研究突破概述 - 研究团队首次从头设计出功能性的电压门控阴离子通道dVGAC，该通道具有独特的结构和工作机制 [2][3] - 设计的dVGAC在小鼠模型中有效抑制神经元电活动，标志着AI驱动的生物分子设计向实际应用迈出关键一步 [3] - 该成果于2025年10月16日发表于国际顶尖学术期刊《Cell》 [2] 技术设计与创新 - 采用全新的15螺旋五聚体结构设计，每个亚基由三个螺旋通过两个短环连接，形成漏斗状内环结构，可对孔道孔径进行多样化调控 [10] - 在孔道内引入精氨酸收缩结构，这些带正电残基既作为电压传感器，又作为氯离子选择性过滤器，其侧链能发生电压驱动的构象变化以控制通道开关 [12] - 该设计的工作机制与自然界中任何已知离子通道都不同，实现了创新性的精氨酸门控 [16][17] 实验验证与性能 - 全细胞膜片钳实验显示，dVGAC表现出时间和电压依赖的电流，具有强烈外向整流特性，在+120 mV时电流达到2348±166 pA [14] - 高分辨率冷冻电镜结构显示，dVGAC的结构与设计模型高度吻合，Cα RMSD仅为1.09 Å [14] - 通过突变可调节通道特性，例如R165D变异体（dVGAC1.0）的电流-电压曲线向左移动约20 mV，使其在更低电压下即可被激活 [19] 应用前景与行业意义 - dVGAC1.0在小鼠中央杏仁核的特定神经元中表达后，能显著降低神经元兴奋性，减少放电频率，为神经调控提供了新工具 [20][21] - 该研究开辟了定制化跨膜蛋白设计的新时代，未来可能设计出响应特定配体或物理刺激的跨膜蛋白，用于检测生物标志物、调控膜电位及治疗疾病 [23] - 具有简单结构和高度可调特性的设计蛋白，相比天然离子通道更适应各种应用需求 [23]

研究突破核心 - 西湖大学卢培龙团队在国际上首次实现了电压门控阴离子通道（dVGAC）的精确从头设计，该成果发表于《细胞》期刊[3][4] - 该人工通道的离子选择机制与电压响应机制均不同于天然离子通道，并在小鼠模型中证实可有效抑制神经元电活动[4] - 此突破标志着AI驱动的生物分子设计向实际应用迈出了关键一步，证明了从头设计具有“动态开关”功能的跨膜蛋白的能力[4][23] 技术方法与设计验证 - 研究团队采用参数化方程与片段组装相结合的方法，从头设计了一个由15根α螺旋组成的五聚体跨膜蛋白骨架TMH3C5，形成两层同心环结构[6][7] - 利用ProteinMPNN设计氨基酸序列，并通过AlphaFold2预测三维结构，筛选出8个结构与预测模型高度一致的跨膜蛋白设计体[15] - 冷冻电镜解析结果显示，跨膜蛋白tmZC8-BTB的整体结构与设计模型高度吻合，跨膜区Cα原子的RMSD仅为1.33 Å，验证了设计的准确性[15] 通道功能特性 - 在设计的跨膜五聚体蛋白孔道内引入精氨酸作为门控残基，其中一个变体tmZC8-3R-BTB在膜电位超过40 mV时电流迅速上升，表现出显著的电压依赖性[18] - 该通道高度选择性地通透氯离子（Cl⁻），阴离子通透顺序为Cl⁻ > Br⁻ > F⁻ > NO₃⁻ > I⁻，单通道电导恒定但开放概率随电压升高而增加[18] - 解析的dVGAC冷冻电镜结构分辨率达2.9 Å，实际构象与设计模型高度一致，跨膜区Cα原子的RMSD仅为1.09 Å[19] 功能调控与应用潜力 - 通过改变孔道内的氨基酸残基，成功调控了dVGAC的离子选择性与电压敏感性，dVGAC1.0突变体在仅20 mV的膜电位下即可激活[21] - 在活体小鼠实验中，表达dVGAC1.0的神经元放电频率显著降低，证实了该人工通道在生理条件下具备调控神经元活动的能力[22] - 该技术实现了从设计“静态”膜蛋白结构到设计具有“动态”响应能力的跨膜蛋白的跨越，为构建响应特定信号的新型跨膜蛋白提供了可行路径[23] 团队研究历程 - 卢培龙研究员团队在跨膜蛋白设计领域持续取得突破，包括2020年在《自然》发表世界首次跨膜孔蛋白精确从头设计，2018年在《科学》发表世界首次多达8个跨膜区域的跨膜蛋白精确从头设计[35][36][39] - 团队近期研究成果还包括2025年2月在《自然》发表的跨膜荧光激活蛋白设计，以及2024年发表的广谱迷你中和蛋白设计和异手性蛋白复合物设计[25][27][29][32]