允许钾离子和钠离子流入和流出细胞的离子通道对于中枢神经系统的神经元“发射”以及大脑和心脏功能至关重要。Weill Cornell Medicine科学家领导的一项新研究表明，这些通道使用“球和链”机制来帮助调节其离子流量。

这项研究于2020年3月18日发表在《自然》杂志上，证实了关于离子通道的长期存在的假设，并代表了对大多数细胞中基本生物学过程的理解方面的关键进展。

使用电子显微镜技术对球和链机制进行直接成像，也可以为设计靶向它的药物改善离子通道功能提供一个新的角度。离子通道异常与包括癫痫病，心律不齐，精神分裂症和糖尿病在内的一长串疾病有关。

高级作者，生理学副教授Crina Nimigean博士说：“自1970年代以来，科学家一直在试图获得这种机制的原子级图像，现在我们终于有了它，它可以成为重要的药物靶标。” Weill Cornell Medicine的麻醉学和生物物理学。

许多类型的离子通道，包括神经元信号传导和心脏跳动所必需的离子通道，会在物理上打开，从而在施加某种刺激时允许离子流入或流出细胞。但是，为了以足够高的频率打开和关闭离子流，以满足神经元，心肌细胞和其他细胞类型的需求，某些离子通道需要额外的即时机制来阻止离子流-甚至当刺激仍然存在并且通道结构原则上处于“开放”状态时。

自1973年以来，基于生化实验，该领域的研究人员就怀疑这种动态机制类似于链上的“浴缸塞”或“球和链”结构。但是，用原子级成像方法直接确认这一点是一个巨大的挑战。这主要归因于哺乳动物中这些通道的复杂性以及出于成像目的在通常将它们与其他细胞膜成分连接的细胞膜状环境中重建它们的困难。

“没有人确切知道这个过程的外观和工作方式-“球”会阻塞通道的开口，还是实际上进入并堵塞孔，或者间接改变通道的构造?”尼米吉安博士说。

她和她的同事们通过对嗜热甲基甲烷菌的钾离子通道进行成像，从而克服了这一挑战，该甲烷是一种在深海地热喷口中发现的类似细菌的物种。众所周知，其“ MthK”通道与哺乳动物的“ BK”钾通道在结构上相似，后者对于神经元和许多其他细胞类型的正常功能至关重要。然而，MthK具有关键的简化功能，使其易于成像。

借助低温电子显微镜(cryo-EM)，它可以反射电子而不是将光从物体上反射出来，从而为它们制作原子分辨率的图像，当MthK通道被钙打开并关闭时，科学家获得了它们的照片。这些图片显示，即使MthK通道处于钙激活的“开放”状态，离子流经的通道也被粘在通道结构孔中的柔性元件堵塞。

科学家证实，当基因上删除“球链”时，通过钙激活的MthK通道的钾离子流量不再受到调节，从而证实了这种栓塞机制的功能。