Pannexin 1：ATP释放通道还是氯离子选择性通道？——结构生物学与功能研究的交锋

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Pannexin 1：ATP释放通道还是氯离子选择性通道？——结构生物学与功能研究的交锋（DOI: 10.1085/jgp.202012754）

在细胞信号传导的微观战场上，ATP不仅是细胞的“能量货币”，更是重要的细胞外信号分子。长期以来，Pannexin 1（Panx1）被认为是介导ATP释放的关键通道，广泛参与神经传递、免疫反应、细胞凋亡等生理与病理过程。然而，随着2020年六项独立研究通过冷冻电镜（cryo-EM）揭示Panx1的分子结构，这一“共识”开始动摇。结构显示，Panx1并非传统认为的六聚体，而是一个七聚体通道，其孔径仅约9 Å，远小于ATP的水合直径（约12–15 Å），这为其作为ATP通道的功能提出了严峻挑战。

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从“缝隙连接蛋白”到“膜通道”：Panx1的身份转变
Panx1最初因其与无脊椎动物缝隙连接蛋白innexin的序列相似性而被发现，曾被误认为是缝隙连接蛋白家族的一员。然而，后续研究表明，Panx1并不形成细胞间的缝隙连接，而是定位于细胞膜，形成半通道（hemichannel），介导细胞与外界的分子交换。其功能主要依赖于其通道活性，尤其在ATP释放方面的作用被广泛研究和引用。

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结构揭示：七聚体通道与“狭窄”孔径
2020年，六个研究团队几乎同时发布了Panx1的高分辨率冷冻电镜结构，揭示其为一个同源七聚体，整体呈倒置桶状，长约110 Å，宽约100 Å。每个亚基包含四个跨膜螺旋（TM1–TM4），其孔道最窄处位于胞外侧，直径仅约9 Å，主要由W74-R75-D81三联体构成，形成通道的“选择性过滤器”。
这一结构特征强烈支持Panx1在特定条件下作为氯离子（Cl⁻）选择性通道的功能。实验也表明，在电压激活或C端被caspase剪切的情况下，Panx1表现出强烈的Cl⁻选择性，而不通透ATP或阳离子。

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功能争议：ATP释放的“结构困境”
尽管结构数据支持Panx1的Cl⁻通道功能，但大量功能研究却表明其参与ATP释放。例如，在红细胞、上皮细胞、神经元等多种细胞中，Panx1的激活与ATP释放密切相关，且可被Panx1抑制剂（如CBX）阻断。更令人困惑的是，在某些实验条件下（如高浓度胞外K⁺），Panx1不仅释放ATP，还表现出对阳离子和染料分子的通透性，提示其可能具备“大孔”构象。
然而，这种“ATP通透”状态在现有结构中并未被捕捉到。ATP分子在孔道模型中明显“卡”在胞外侧收缩区域，无法通过。这一“结构—功能”矛盾引发了对Panx1是否存在多种构象的广泛讨论。

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多构象假说：Cl⁻通道与ATP通道的“身份切换”？
为解释这一矛盾，研究者提出Panx1可能存在至少两种功能状态：

• Cl⁻选择性通道状态：在电压激活或C端剪切条件下，Panx1表现为高Cl⁻选择性，不通透ATP或阳离子。
• 大孔通道状态：在生理反应（如低氧、机械应力、GPCR激活）或高K⁺条件下，Panx1可能通过构象变化扩大孔径，允许ATP、阳离子甚至染料分子通过。
  

这种“身份切换”可能涉及：

• C端构象重排：功能研究表明，Panx1的C端可深入孔道内部，充当“门控”结构。其剪切或位移可能改变通道通透性。
• 胞外收缩区扩张：W74-R75-D81区域的构象变化可能是孔径扩大的关键。
• 寡聚状态变化：尽管目前结构显示为七聚体，但不排除在特定条件下形成更高阶寡聚体（如八聚体或九聚体），从而扩大孔径。
  

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未来方向：如何捕捉“ATP通道”构象？
为解决结构与功能之间的脱节，作者提出以下研究方向：

• 生理条件下激活Panx1：通过GPCR（如P2X7、NMDA受体）激活Panx1，结合cryo-EM捕捉其大孔构象。
• 研究磷酸化调控：Src激酶介导的酪氨酸磷酸化可能参与Panx1的构象切换。
• 解析C端结构：现有结构中C端未被解析，其在孔道中的位置与构象变化对功能至关重要。
• 探索寡聚状态多样性：是否在不同生理状态下存在不同寡聚形式的Panx1？
  

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结语：结构之外，功能之上
Panx1的研究正处于“结构—功能”交锋的前沿。现有结构为我们提供了一个清晰的Cl⁻通道模型，但ATP释放的功能仍未在结构层面获得支持。正如作者所言：“所有已发表的数据可能都是正确的，我们只需要微调解释方式。”未来的研究将不仅是对Panx1通道构象的探索，更是对我们如何理解“通道功能多样性”的一次深刻反思。Panx1的故事提醒我们：蛋白质不是静态的雕塑，而是动态的机器——它们的结构，只是功能故事的开端。