加州大学戴维斯分校的研究人员发现，通过控制钾离子流动来调节脑细胞活动的蛋白质更像是立体声上的音量控制器，而不是开关。该研究发表在8月19日的《科学》杂志上，为神经元膜中关键的门控蛋白行为提供了一个新的模型。

“我们已经证明，脑细胞以渐进的方式调节活动，具有数千种不同的可能活动水平，”该论文的资深作者、加州大学戴维斯分校医学院医学药理学和毒理学教授James Trimmer解释说。他和他的同事研究了一种控制神经元活动的离子通道，称为Kv2.1，这是一种电压门控钾通道，存在于神经系统的每个神经元中。

“我们的工作表明，这个通道可以存在于数百万种不同的功能状态中，使细胞能够根据外部环境的变化来调节其活动，”Trimmer说。这种调节现象被称为“稳态可塑性”，它指的是通道蛋白在面对大脑或动物环境中的巨大变化时，为了维持神经元的最佳电活动而改变其功能的能力。“这是一个优雅的反馈系统，”他补充说。

多年来，科学家们一直试图研究神经元如何调节钾离子通道的功能——细胞膜上控制钾离子流入细胞的孔状开口，但收效甚微。目前的研究首次将基于质谱的蛋白质组学和离子通道生物物理学结合起来研究活体脑细胞。Trimmer说：“这是一个重要的生物学问题，以前无法用其他方法回答。”

身体中的大多数细胞可以通过类似开关的机制来生长和增殖。事实上，这些“开关”的例子包括经过充分研究的癌基因产物，这些蛋白质会卡在“开启”位置并导致癌症。然而，脑细胞必须执行多任务，接收和处理来自体内外各种来源的信号。Trimmer说：“处理各种信号的能力涉及一些相当复杂和微妙的神经元活动调节。”

科学家们早就知道，钾通道对于脑细胞的正常运作至关重要。神经元通过在膜上传导微弱的电流来响应诸如环境中的噪音或来自身体不同部位的化学信使等刺激。这是因为在神经细胞膜的两侧存在带电离子的不均匀分布。电压门控钾通道根据电信号的变化调节钾离子跨膜的流动。

当钾通道打开时，脑细胞活动会减弱。关闭的通道会导致神经元兴奋性增加。某些种类的蛇毒通过阻断钾通道并引起癫痫来利用这一机制。同样，钾通道的缺陷与癫痫和脑发育减退以及类似于阿尔茨海默病和帕金森病的神经退行性疾病有关。

当前研究中检查的钾离子通道类型Kv2.1已被研究助理Hiroaki Misonou的研究证明，在对癫痫发作、卒中和麻醉的反应中受到高度调节。

Trimmer和他的同事首次使用了一种称为SILAC（细胞培养中氨基酸的稳定同位素标记）的质谱技术来研究脑细胞中的离子通道。研究人员面临的问题是，虽然质谱可以提供非常准确的质量测量，但在不同样本中量化蛋白质的数量可能很困难。SILAC允许科学家向一个样本中添加额外的原子量，以便在给定的运行中分析两个不同的样本，从而实现对数量的精确测量。“质量标签”在质谱读出中分离了两个样本——实验样本和对照样本。

使用这种技术，博士后研究员Kang-Sik Park揭示了16个位点，其中蛋白质通过添加磷酸基团被细胞修饰。随后的研究——其中每个位点都被移除以揭示其在调节中的作用——接着由博士后研究员Durga Mohapatra进行的仔细的通道功能生物物理分析，揭示了其中七个位点参与了神经元活动的调节。由于每个位点可以在四个通道亚基上独立调节，神经元可以产生大量的（>10^18）可能的通道形式。

利用这一机制，Kv2.1通道被快速修饰，甚至模仿其他钾离子通道的活动。Trimmer解释说：“用单一蛋白质来实现这一点的美妙之处在于，它已经存在，并且可以在几分钟内发生变化。细胞产生完全不同的钾通道需要几个小时。”

基于这些结果，Trimmer和他的同事假设，Kv2.1通道蛋白的某些部分以某种方式相互作用，使其从关闭状态变为打开状态变得更容易或更困难。他们认为，蛋白质可以存在于松散状态（需要低能量或电压来改变状态）或锁定状态（需要高能量（高电压）来打开或关闭）。磷酸分子的数量和位置决定了打开通道所需的电压量。

下一步将是确定在正常动物行为期间，脑神经元如何调节Kv2.1蛋白上各个位点磷酸的添加和去除。这涉及在光、声音和不同学习范式刺激后，对来自不同脑区的Kv2.1进行蛋白质组学分析。Trimmer和他的同事还将探索Kv2.1磷酸化在神经和精神疾病治疗干预中的药理学调节。

这项研究得到了美国国立卫生研究院国家神经疾病和卒中研究所的支持，并在加州大学戴维斯分校医学院完成，利用了加州大学戴维斯分校蛋白质组学设施的质谱仪器。