2025年2月25日，Nature Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组合作完成的题为GORK K+ channel structure and gating vital to informing stomatal engineering的研究论文。该研究通过对拟南芥气孔关闭主效钾离子通道GORK的冷冻电镜结构解析与功能分析，揭示了GORK的关键门控位点及其“半独立闩锁”门控机制，为改造气孔运动以提升作物水分利用效率和碳同化能力提供了新靶点。
气孔是植物叶片表面调控气体交换的微小孔隙，其开闭是通过调节保卫细胞膨压实现的。钾离子作为其中最主要的渗透性溶质，其跨膜运输主要由电压依赖的钾离子通道所介导。拟南芥钾离子通道GORK属于环核苷酸结合域（cyclic nucleotide binding domain,CNBD）通道家族成员，是气孔关闭过程中钾离子外排的主要途径，其独特的电压依赖性和钾离子敏感性对气孔运动的调控至关重要，被领域内认为是改造气孔运动以提升光合作用效率的有效靶点。然而，对GORK通道三维结构与门控机制信息的缺乏限制了其应用。
研究人员利用冷冻电镜技术解析了GORK通道在关闭和预开放状态下的高分辨率三维结构。GORK形成功能性同源四聚体结构，主要由跨膜区的孔道结构域（PD）和电压感受结构域（VSD）、胞质侧的C linker结构域、环核苷酸结合同源结构域（CNBHD）、锚蛋白结构域（ANK）以及N端序列组成。结构分析揭示了GORK胞质区的结构域间互作形成的关键偶联位点（Coupling Site）（图1a-b）。功能实验表明，偶联位点CS I的突变可显著降低通道激活的能量势垒，表现出半激活电压（V1/2）的负向移动，并加速激活、延缓关闭（图1c）；偶联位点CS II的截短则会破坏N端序列与CNBHD的互作，导致通道更易进入开放状态。此外，GORK的结构显示其CNBHD缺乏环核苷酸结合所需的空腔和保守氨基酸，因而与已知的CNBD通道家族蛋白不同，其活性不受cAMP和cGMP等环核苷酸调控，电生理实验进一步证实了这一结论。GORK的这一特征与该研究组近期报道的同属CNBD家族的植物CNGC钙通道相似（https://doi.org/10.1038/s41477-025-01923-z）。
基于上述发现，研究人员提出了钾离子通道GORK独特的“半独立闩锁”门控机制（图2）：膜去极化驱动VSD发生构象变化，随后结构域之间的偶联位点协同作用，通过N端序列、C-linker与CNBHD传递构象变化，最终打开位于膜上的钾离子孔道。该研究更新了人们对钾离子通道门控机制的认知，同时为靶向GORK改造气孔以提升光合效率提供了关键位点。
该研究工作由中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究团队与英国格拉斯哥大学Michael Blatt教授团队合作完成；张鹏研究组的助理研究员张雪博士、格拉斯哥大学William Carroll博士和Thu Nguyen博士为该项工作的共同第一作者。本研究的冷冻电镜数据收集得到了复旦大学和中国科学院分子植物科学卓越创新中心公共技术中心的支持和帮助。本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院及上海市项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57287-7
图1. 拟南芥钾离子通道GORK的结构与功能分析
图2. 钾离子通道GORK的“半独立闩锁”门控机制
