Cell：西湖大学卢培龙团队等首次从头设计出电压门控离子通道，在体内抑制神经元电活动

在生命科学领域，设计一个能够精确响应环境信号的蛋白质，一直是科学家们的梦想。特别是对于跨越细胞膜的蛋白质——它们控制着细胞与外界的信息交流，如同城市的门户和关卡。

尽管科学家们已经取得了一些进展，例如设计出稳定的膜蛋白支架和跨膜孔道，但要从头开始设计一个能够响应特定刺激（例如电压变化）并通过构象变化来控制离子流动的跨膜蛋白，仍然是一个巨大挑战。

2025 年 10 月 16 日，西湖大学生命科学学院、西湖实验室及遗传物质表达与重构全国重点实验室卢培龙团队，联合西湖实验室/西湖大学李波、黄晶等团队，在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表题为：De novo designed voltage-gated anion channels suppress neuron firing 的研究论文。

该研究首次从头设计出了电压门控阴离子通道——dVGAC，这些通道不仅具有独特的结构和工作机制，还能够在小鼠模型中有效抑制神经元电活动。

该研究不仅表明科学家已具备从头设计具有“动态开关”功能的跨膜蛋白的能力，更证明此类人工蛋白可在活体动物中发挥生理作用，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。

什么是电压门控离子通道？

在我们身体内，电压门控离子通道是一类极其重要的膜蛋白。它们能够感知细胞膜上的电压变化，并通过打开或关闭通道来控制离子的进出。

这些通道在神经信号传递、肌肉收缩、心跳节律维持等生命过程中扮演着关键角色。例如，当我们的神经元传递信号时，电压门控钠通道和钾通道的协同工作就产生了动作电位。

传统的电压门控离子通道通常具有相似的结构特征：四个电压感应域（VSD）包围着中央的孔道域。这些通道的电压感应机制主要依赖于带正电荷的氨基酸残基在膜电场作用下的移动。

设计挑战：从零创造生命的开关

设计一个电压门控离子通道需要解决四个相互关联的难题：

1、在跨膜区引入带电荷的氨基酸，用于电压感应，但这些氨基酸在膜环境中存在巨大的溶剂化能代价；

2、考虑电压变化下这些带电门控残基的构象变化，以及它们与蛋白质其他区域的相互作用；

3、确保离子选择性和电压敏感性可通过突变进行调节，这需要深入理解离子通道的结构-功能关系；

4、保证核心残基的紧密堆积，以稳定通道结构，同时允许水可及的孔道形成，并尽量减少与脂质或面向脂质的残基的非特异性疏水相互作用。

创新设计：15 螺旋五聚体通道

在这项最新研究中，研究团队采用了一种全新的设计策略。他们首先设计了一种 15 螺旋组成的五聚体结构（TMH3C5），每个亚基由三个螺旋通过两个短环连接而成。这种设计的独特之处在于其漏斗状的内环结构，沿着中心 C5 对称轴的孔道半径可变，相比圆柱状束，能够对孔道孔径产生更多样化的调控效果。

从头设计含15根α螺旋的五聚体跨膜蛋白

研究团队在孔道内引入了精氨酸（Arg）收缩结构，这些带正电的残基既作为电压传感器，又作为氯离子（Cl-）选择性过滤器。最关键的是，这些精氨酸侧链能够发生电压驱动的构象变化，从而控制通道的开关。

实验验证：设计完美匹配现实

通过全细胞膜片钳实验，研究团队发，设计的 dVGAC 表现出时间和电压依赖的电流，具有强烈的外向整流特性。在高于 +40 mV 的电位下，电流迅速增加，在 +120 mV 时达到 2348±166 pA。

更重要的是，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。这些结构揭示了一个中央通道，其带正电的收缩区域能够吸引阴离子。

机制揭秘：精氨酸门控的创新设计

通过分子动力学模拟和点突变实验，研究团队揭示了 dVGAC 的工作机制：R157 是高效通道活性的关键，它与其他精氨酸层残基的协同作用对于阴离子的单向流动至关重要。分子动力学模拟表明，在没有外部电位时，dVGAC 的孔道被精氨酸收缩区域阻塞；增加电位（如高于+40 mV）会引起精氨酸侧链的构象变化，从而打开离子通道。

阴离子被正膜电位吸引，并被带正电的精氨酸残基选择性过滤进入细胞。这种独特的门控机制与自然界中已知的任何离子通道都不同。

应用突破：抑制神经元活动

最令人兴奋的是，研究团队发现，dVGAC 的电压敏感性和离子选择性可以通过突变进行调节。特别是 R165D 变异体（被命名为 dVGAC1.0）的电流-电压曲线向左移动约 20 mV，意味着它可以在更低的电压下被激活。

研究团队将 dVGAC1.0 表达在小鼠中央杏仁核的 PKC-δ+ 神经元中，发现它能够显著降低神经元的兴奋性，减少神经元的放电频率。而表达原始 dVGAC 或非导电型 tmZC8-BTB 的神经元则没有这种效果。

这一结果表明，dVGAC1.0 能够在动作电位相关的去极化过程中充分打开，从而有效地抑制神经元活动，为神经调控提供了新的工具。

从头设计可控制神经元活动的电压门控阴离子通道dVGAC

未来展望：定制化膜蛋白的新时代

这项研究的成功，不仅在于从头设计出了功能性的电压门控离子通道，更在于开辟了定制化跨膜蛋白设计的新时代。dVGAC 具有简单的结构和高度可调的特性，与天然离子通道相比，更适合各种应用需求。

未来，研究人员可能设计出响应特定配体或物理刺激的跨膜蛋白，用于检测特定的生物标志物或环境变化。这些设计蛋白不仅可以在体外应用，还可能在体内调控膜电位，治疗相关疾病。

西湖大学博士生周晨、博士生李辉灿和博士生王佳兴为该论文共同第一作者。西湖大学卢培龙研究员为最后通讯作者，吴坤博士、黄晶研究员、讲席教授李波为共同通讯作者。西湖大学博士生钱程、熊晖博士、初智霖博士、邵齐明博士、李轩博士、硕士生孙诗津、孙科博士、清华大学靳雪芹博士以及浙江大学杨帆教授等为该研究做出了贡献。