KIRチャネル活動のアロステリック調節に関する変異洞察

カリウム（K+）チャネルは、ヘリカルバンドル交差、または内側のゲート、および選択性フィルター、または外側のゲートの間のアロステリック通信によって部分的に規制されています。このネットワークは、刺激をゲートすることによってトリガーされます。協調して、チャネル機能に必要な長距離構造再配列を相関させる一連の相互作用セットであるアロステリックネットワークがあります。内向き整流器K+（KIR）チャネルは、内向きのK+コンダクタンスを支持し、リガンド誘発であり、安静膜電位の確立に役立ちます。KIRBAC1.1は、ヒトKIR（HKIR）チャネルと相同性の細菌KIR（KIRBAC）チャネルです。さらに、KIRBAC1.1は、アニオン性リン脂質リガンドホスファチジルグリセロール（PG）によってゲートされます。この研究では、サイト指向の突然変異誘発を使用して、KIRBAC1.1ゲーティングメカニズムと、詳細な固体NMR（SSNMR）測定を使用して以前に提案したアロステリックネットワークに関与する残基を調査します。蛍光ベースのK+およびナトリウム（Na+）フラックスアッセイを使用して、チャネルの選択性を変えない機能障害のあるチャネル変異体を特定しました。タンデムでは、粗粒分子動力学シミュレーションを実行し、PG-KIRBAC1.1の相互作用の変化を観察し、この動作に結び付けられた2つの膜貫通ヘリックスと細孔ヘリックス間の接触と接触と相関しました。脂質親和性は、隣接するサブユニット上の2つのトリプトファン残基の近接に密接に結びついており、アニオン性脂質をアルギニン残基の群によって形成されたカチオン性ポケットに誘惑します。したがって、これらのシミュレーションは、提案されたアロステリックネットワークにおける各変異部位の役割の構造的および機能的基盤を確立します。実験およびシミュレートされたデータは、K+チャネルのゲーティングと脂質アロステリーに関与する重要な機能的残基に関する洞察を提供します。私たちの調査結果は、KIRBAC1.1からこの研究で特定された多くの残基の保存によるHKIRチャネルの生理学にも直接的な意味を持っています。

Potassium (K+) channels are regulated in part by allosteric communication between the helical bundle crossing, or inner gate, and the selectivity filter, or outer gate. This network is triggered by gating stimuli. In concert, there is an allosteric network which is a conjugated set of interactions which correlate long-range structural rearrangements necessary for channel function. Inward-rectifier K+ (Kir) channels favor inward K+ conductance, are ligand-gated, and help establish resting membrane potentials. KirBac1.1 is a bacterial Kir (KirBac) channel homologous to human Kir (hKir) channels. Additionally, KirBac1.1 is gated by the anionic phospholipid ligand phosphatidylglycerol (PG). In this study, we use site-directed mutagenesis to investigate residues involved in the KirBac1.1 gating mechanism and allosteric network we previously proposed using detailed solid-state NMR (SSNMR) measurements. Using fluorescence-based K+ and sodium (Na+) flux assays, we identified channel mutants with impaired function that do not alter selectivity of the channel. In tandem, we performed coarse grain molecular dynamics simulations, observing changes in PG-KirBac1.1 interactions correlated with mutant channel activity and contacts between the two transmembrane helices and pore helix tied to this behavior. Lipid affinity is closely tied to the proximity of two tryptophan residues on neighboring subunits which lure anionic lipids to a cationic pocket formed by a cluster of arginine residues. Thus, these simulations establish a structural and functional basis for the role of each mutated site in the proposed allosteric network. The experimental and simulated data provide insight into key functional residues involved in gating and lipid allostery of K+ channels. Our findings also have direct implications on the physiology of hKir channels due to conservation of many of the residues identified in this work from KirBac1.1.