シェーカーKVチャネルの単一点変異体でのk⁺伝導とmg²⁺遮断は、異常に高いコンダクタンスを備えています

カリウムチャネルは、シングルチャネルコンダクタンスの多様性を示しています。シェーカーは、内毛穴の入り口近くの単一点突然変異であるPro475→ASPが6〜8倍高い単一電流を促進する低伝導性Kチャネルです。この高いコンダクタンスのメカニズムを評価するために、シェーカーP475Dシングルチャネル電流を広範囲の対称K（+）濃度と電圧で測定しました。300 mm K（+）未満では、電流と電圧の関係（I-V）は、1000 mm K（+）で消失した内向きの整流を示しました。シングルチャネルコンダクタンスは、飽和状態の[k（+）]で最大約190 psに達し、ネイティブチャネルの推定値よりも4〜5倍大きい値です。細胞内Mg（2+）は、このバリアントを約100倍高い親和性でブロックしました。ゼロ電圧に近いところ、遮断はk（+）によって競合的に拮抗されました。ただし、100 mVを超える電圧では、K（+）によって強化されました。この結果は、Mg（2+）およびk（+）の単一ファイル拡散領域におけるロックイン効果と一致しています。Molecular-Dynamicsシミュレーションでは、高伝導MTHK細菌チャネルのように、特にASP-475側鎖の近くで、細孔のK（+）密度が高いことが明らかになりました。分子のダイナミクスはまた、遠位に結合したK（+）イオンが空洞内の他のk（+）またはmg（2+）と共存できることを示し、ロックインメカニズムをサポートしています。最大k（+）輸送速度とより高い占有率は、細孔全体のk（+）の静電エネルギープロファイルの減少によるものである可能性があり、それぞれエネルギーウェルと障壁をそれぞれ〜0.7と〜2 ktに減少させます。

Potassium channels exhibit a large diversity of single-channel conductances. Shaker is a low-conductance K-channel in which Pro475→Asp, a single-point mutation near the internal pore entrance, promotes 6- to 8-fold higher unitary current. To assess the mechanism for this higher conductance, we measured Shaker-P475D single-channel current in a wide range of symmetrical K(+) concentrations and voltages. Below 300 mM K(+), the current-to-voltage relations (i-V) showed inward rectification that disappeared at 1000 mM K(+). Single-channel conductance reached a maximum of ∼190 pS at saturating [K(+)], a value 4- to 5-fold larger than that estimated for the native channel. Intracellular Mg(2+) blocked this variant with ∼100-fold higher affinity. Near zero voltage, blockade was competitively antagonized by K(+); however, at voltages >100 mV, it was enhanced by K(+). This result is consistent with a lock-in effect in a single-file diffusion regime of Mg(2+) and K(+) along the pore. Molecular-dynamics simulations revealed higher K(+) density in the pore, especially near the Asp-475 side chains, as in the high-conductance MthK bacterial channel. The molecular dynamics also showed that K(+) ions bound distally can coexist with other K(+) or Mg(2+) in the cavity, supporting a lock-in mechanism. The maximal K(+) transport rate and higher occupancy could be due to a decrease in the electrostatic energy profile for K(+) throughout the pore, reducing the energy wells and barriers differentially by ∼0.7 and ∼2 kT, respectively.