Structure-function studies of the Kir6.2 channel and of its coupling with natural and artificial partners
Etude structure-fonction du canal Kir6.2 et de son couplage avec des partenaires naturels et artificiels
Résumé
ATP-sensitive potassium (K-ATP) channels play a key role in adjusting the membrane potential to the metabolic state of cells. They result from the unique combination of two proteins: the SulfonylUrea Receptor (SUR), a protein of the ABC transporters family, and the inward rectifier K+ channel Kir6. Both subunits associate to form a heterooctamer (4 SUR/4 Kir6) of ~ 1MDa. A high-resolution structure of the complex is still missing. To date, only a 18 Å structure of the full complex is available. Unfortunately, the low resolution prevent visualization of subunits arrangement. This PhD project aimed at obtaining structural and functional information on the functional coupling between Kir6.2 and SUR. Structural studies are still in progress.While 2 isoforms of the human Kir6 protein exists (Kir6.1 and 6.2), 3 isoforms of the SUR protein are known: SUR1, mostly expressed in pancreatic β-cells and neurons mainly with Kir6.2, SUR2A, abundant in cardiac and skeletal muscle mainly with Kir6.2, and SUR2B, found in smooth muscle mostly with Kir6.1. How SUR modulates channel gating in response to the binding of ligands is still poorly understood.The SUR protein belongs to a family of transporters but in K-ATP works as a gating modulator. How a 'transporter' modulate Kir6 gating? In SUR2A three residues (E1305, I1310, L1313) were found to be implicated in the ‘activation pathway' linking binding of openers to SUR2A and channel opening. To examine the role of the matching residues in the SUR1 isoform, we designed chimeras between SUR1 and the ABC transporter MRP1 (which does not interact with Kir6.2), and used patch clamp to assess the functionality of SUR1/MRP1 K-ATP chimeric channels. Our results reveal that the same residues in SUR1 and SUR2A are involved in the functional association with Kir6.2, but they display side-chain specificities that could account for the contrasted properties of pancreatic and cardiac K-ATP channels. In fact, in pancreas, SUR1/Kir6.2 channels are partly active at rest while in cardiomyocytes SUR2A/Kir6.2 channels are mostly closed. This divergence of function could be related to differences in the interaction of SUR1 and SUR2A with Kir6.2.The participation of the Kir6.2 channel in the coupling with SUR cannot be easily studied, as the region spanning from Kir6.2 N-terminal to its first helix is in thigh physical association with SUR. Mutations at this level could affect both physical and functional interaction with the regulatory subunit. To overcome this obstacle we used the ICCR technology developed in our laboratory. ICCRs are artificial proteins created by physical and functional linkage of a GPCR C-terminus to the Kir6.2 N-terminus. ICCRs provide a unique method to study the function of the Kir6.2 channel N-terminal, as the fusion between GPCR and channel ensure physical association. In ICCRs the electrical signal generated by the ion channel is directly linked to ligand binding on the GPCR. The domain linking GPCR and channel is crucial for ICCR function and its length affects channel regulation. Interestingly, two ICCRs, having identical linker length but nine residues differences at the fusion point, showed different phenotypes: one functional, one inactive (no channel regulation). The inactive ICCR is characterized by the lack of residues 26 to 34 in the channel N-terminus containing 5 arginines. We functionally mapped these arginines and identify specific residues essential for Kir6.2 regulation. Successively, we transferred this knowledge to the K-ATP mutating the previously found essential arginines. Here, we did not observe any change compared to wild-type channels. This result suggest that there are at least two ways to modulate Kir6.2 gating: one through the arginines in the N-terminal (used by the GPCR) and another, still unknown, used by SUR.
Les canaux potassiques sensibles à l'ATP (K-ATP) jouent un rôle fondamental au sein de la cellule, puisqu'ils ajustent le potentiel de membrane en fonction de l'état métabolique. Ils combinent deux types de protéines: le récepteur des Sulfonylurée (SUR), protéine régulatrice faisant partie des transporteurs ABC, et le canal potassique rectifiant entrant Kir6. Elles s'associent en formant un hétérooctamère (4 SUR/4 Kir6) d'une taille de ~ 1MDa. A l'heure actuelle, l'unique structure disponible de ce complexe est une structure basse-résolution de 18 Å qui ne permet pas de visualiser correctement l'arrangement des différentes sous-unités. Le but principal de ce projet de thèse était d'obtenir des informations à la fois structurales et fonctionnelles sur le couplage entre Kir6.2 et SUR.Il existe 2 isoformes du Kir6 humain (Kir6.1 et 6.2) et 3 isoformes de SUR : SUR1, principalement exprimée avec Kir6.2 dans les cellules β pancréatiques et les neurones ; SUR2A, très abondante avec Kir6.1 dans les muscles cardiaques et squelettiques ; et SUR2B, présent avec Kir6.1 au niveau des muscles lisses. La façon dont SUR est capable de moduler l'ouverture du canal en réponse à la fixation d'un ligand est encore mal comprise.Au sein du canal K-ATP, SUR a un rôle de modulateur du gating de Kir6.2. Il a été montré que trois résidus (E1305, I1910, L1313) dans SUR2A, étaient impliqués dans la « voie d'activation » liant la fixation d'un ligand sur SUR2A et l'ouverture du canal Kir6. Afin d'examiner le rôle des résidus correspondants au sein de SUR1, nous avons réalisé des chimères entre SUR1 et le transporteur ABC MRP1 (qui n'interagit pas avec Kir6.2) et utilisé la technique du patch-clamp pour évaluer leur fonctionnalité. Nos résultats ont montré que les mêmes résidus au sein de SUR1 et SUR2A sont impliqués dans l'association fonctionnelle avec Kir6.2, mais que les spécificités au niveau de la chaine latérale pourraient expliquer les propriétés propres aux canaux pancréatiques et cardiaques. En effet, dans le pancréas, les canaux SUR1/Kir6.2 sont partiellement actifs au repos tandis que les canaux SUR2A/Kir6.2 du cœur sont principalement fermés. Cette spécificité peut être expliquée par les interactions spécifiques de SUR1 et SUR2A avec Kir6.2.La participation du canal Kir6.2 dans le couplage avec SUR ne peut être facilement étudiée puisque la région allant du N-terminal de Kir6.2 jusqu'à sa première hélice est physiquement associée à SUR. Des mutations à ce niveau pourraient affecter à la fois l'interaction physique et fonctionnelle avec SUR. Pour passer outre cet obstacle, nous avons utilisé la technologie ICCR développée dans notre laboratoire. Les ICCRs sont des protéines artificielles créées par couplage physique du C-terminal d'un RCPG au N-terminal de Kir6.2. Cette technologie permet l'étude de la fonction du N-ter de Kir6.2 puisque la fusion entre le RCPG et le canal assure une association fonctionnelle : le signal électrique généré par le canal ionique est directement lié à la fixation du ligand sur le RCPG. Le domaine reliant les deux protéines est essentiel pour la fonction de l'ICCR et sa longueur affecte la régulation du canal. De façon intéressante, deux ICCRs de même longueur mais ayant 9 résidus de différence présentent deux phénotypes différents : un fonctionnel, un inactif. L'ICCR inatif est caractérisé par la perte des résidus 26 à 34 du N-ter contenant 5 arginines. Nous avons réalisé la cartographie fonctionnelle de ces résidus essentiels pour la régulation de Kir6.2. Successivement, nous avons effectué les mêmes mutations d'arginines au sein du canal naturel K-ATP, mais n'avons pas observé de différence entre le canal muté et sauvage. Ces résultats suggèrent qu'il existe au moins deux voie de régulation pour le gating de Kir6.2 : une via les arginines du N-ter (utilisé par les RCPGs) et l'autre, toujours inconnue, utilisée par SUR.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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