电压门控钾离子(Kv)通道电压感受区(Voltage Sensor Domain，VSD)是通道重要的结构功能单元，其性质主要由S4片段上的门控电荷和S1～S3片段组成的门控电荷运行通路所决定。门控电荷是指位于S4片段上带正电荷氨基酸，其可感受膜内外电压变化，在电场力的驱动下沿门控电荷运行通路上下穿梭运动，进而调控通道的开放和关闭。基于Shaker和Kv1.2-2.1嵌合体通道的研究认为在门控电荷运行通路中心位置存在一个动态封闭的区域，这构成了集中电场理论和门控电荷运行通路催化转运中心学说的结构基础。　　本论文第一章集中在癫痫相关的KCNQ2钾通道电压感受区的结构功能研究。采用KCNQ2通道小分子激动剂ztz240为探针，综合运用定点突变、计算机同源模建和电生理技术，我们发现该小分子结合于KCNQ2通道门控电荷运行通路中，提示该门控电荷运行通路中心存在一个较大的结合口袋，与经典的集中电场理论相悖。借助计算机辅助分子动力学模拟的方法，我们观察到KCNQ2与Kv1.2-2.1通道门控电荷运行通路的结构确有不同，存在一个大的水性孔道，点突变和电生理实验进一步显示KCNQ2通道门控电荷催化转运中心氨基酸的功能角色与Shaker通道也有所不同。在建立ztz240-门控电荷运行通路结合模型后，采用计算机虚拟筛选的方法从20万个化合物中发现9个KCNQ2通道激动剂，它们分别属于五类新型分子结构骨架，其中2个脲类结构激动剂及其结构改造衍生物均表现出良好的体内和体外抗癫痫活性。至此，本章揭示了KCNQ2通道电压感受区与Kv1.2-2.1和Shaker通道电压感受区不同，在门控电荷运行通路中心位置存在一个能够结合化学小分子的较大的水性孔道，可以作为新型抗癫痫药物的作用靶点。　　本论文第二章对与长QT间期综合征相关的hERG钾通道电压感受区作为药物靶点的可能性进行了研究。我们将新发现的KCNQ2激动剂与已报道的hERG通道激动剂进行比对，发现脲类结构小分子在两种通道激动剂中多见，电生理实验证实NS1643等多个脲类化合物对KCNQ2和hERG通道均有激动活性。以NS1643为探针并结合其它技术手段，我们对hERG通道电压感受区进行了研究，发现其与KCNQ2通道既有相似性又有所不同。一方面，hERG电压感受区内也存在NS1643发挥激动作用的关键氨基酸残基，将其突变后严重小分子影响的激动活性，这支持hERG通道电压感受区与KCNQ2通道类似，可能作为潜在的药物靶点。另一方面，hERG的电压感受区又具有特异性，对NS1643激动活性起关键作用的氨基酸残基在hERG和KCNQ2通道中并非是同源位点，且两种通道门控电荷的突变体实验结果也支持这一点。KCNQ2通道门控电荷R1突变后通道功能降低，而hERG通道上相应突变则显著上调通道功能，且严重影响通道失活。这些工作提示以电压门控通道电压感受区作为药物作用靶点需重视其多样性和特异性。　　综上所述，我们综合运用多种技术手段，确定了KCNQ2通道的门控电荷运行通路中存在一个配体结合口袋，基于此口袋的药物研发已成功得到了多个体内和体外活性良好的先导化合物，这为抗癫痫药物的研发提供了新的视角和方法。基于hERG通道的工作支持其门控电荷运行通路亦可能作为药物靶点，并揭示了不同电压门控钾通道电压感受区具有的多样性和特异性。本论文为针对Kv通道电压感受区的药物开发和结构功能研究提供了重要经验。