Molecular studies of ATP-sensitive potassium channels : gating, pathology, and optogenetics
Etudes moléculaires du canal potassique sensible a l'ATP : "gating", pathologie et optogénétique
Résumé
ATP-sensitive K+ (KATP) channels are ubiquitous channels designed to couple excitability to cellular energy. They perform this function by sensing the relative levels of the intracellular nucleotides ATP and ADP; with ATP blocking the channel and ADP activating it. Additionally, the phospholipid phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) is known to be a strong regulator of KATP channels. These channels are present in many excitable tissues and involved in many physiological functions. The aim of this thesis is to design a light dependent block of the KATP channel, in order to control its activity and have it under optical control while at the same time retaining its native properties. This was accomplished by mutating specific residues to cysteines. This light dependent blocked KATP channel, could be used to regulate action potentials with light to tune diverse aspects of cellular electrophysiology and potentially photo-pharmacology treatment. We also performed a functional mapping of the Kir6.2 channel gate(s) under the control of membrane proteins interacting with the N-terminal domain. This was performed by using a unique artificial gate Kir6.2 channel formed by fusing a GPCR C-terminus to the Kir6.2 N terminus. Crystallographic structures and functional characterizations of potassium channels demonstrated the presence of two gates in the transmembrane domains: the selectivity filter and the "A" gate at the cytoplasmic interface, and a third gate in the cytoplasmic domain of Kir channels known as the G loop gate. Unexpectedly, our results demonstrated that several gates could be involved suggesting a concerted mechanism. Finally, we characterized two single-point mutations in the ABCC9 gene encoding SUR2, that are associated with Cantu syndrome (CS). These mutations are localized in transmembrane domain 0 (TMD0) of SUR2A, an essential domain which mediates the interaction between Kir6.2 and SUR within the K-ATP channel complex. Results suggest that the two mutations cause KATP channel hyperactivity through two divergent mechanisms: (1) a decreased sensitivity to ATP inhibition and affecting the modulation by PIP2, and that does not affect activation by Mg-ADP or (2) any effect on the response to ATP and Mg-ADP, but more sensitive to activation by PIP2. These discoveries underline the essential role of TMD0 in the gating modulation of Kir6.2. They demonstrate in particular that it can control the response of the channel to intracellular effectors that bind to Kir6.2, implying tight interactions between Kir6.2 and the TMD0 region.
Les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) sont des canaux omniprésents liant excitabilité et énergie cellulaire. Ils fonctionnent en captant le niveau relatif des nucléotides ATP et ADP à l’intérieur des cellules: Les premiers bloquant le canal et les derniers l’activant. De plus le phospholipide phosphatidylinositol4,5-bisphosphate (PIP2) est connu pour être un puissant régulateur des canaux KATP. Ceux-ci sont présents dans la plupart des tissus excitables et sont impliqués dans un grand nombre de fonctions physiologiques. L’objectif de ma thèse consiste à désigner un bloc dépendant de la lumière au niveau de ces KATP, afin de contrôler son activité optiquement tout en gardant ses propriétés natives. Cela a été accompli par la mutation de différents résidus en cystéine. Ce canal KATP complètement dépendant de la lumière, pourrait être utilisé pour réguler les actions de potentiels via la lumière afin de piloter différents aspects d’électrophysiologie cellulaire mais aussi de développer des applications de photo-traitements.J’ai également réalisé la cartographie fonctionnelle des résidus impliqués dans le gating du canal Kir6.2 sous le contrôle de protéines membranaires interagissant avec le domaine N-terminal. Cela a été réalisé par le design d’un canal artificiel Kir6.2 formé par la fusion du C-terminal d’un RCPG avec le N-terminal du canal. Des structures cristallographiques et des caractérisations fonctionnelles des canaux potassiques ont permis de mettre en évidence la présence de deux portes dans les domaines transmembranaires : le filtre de sélectivité et le « gate A » à l’interface cytoplasmique, et le troisième « gate » dans le domaine cytoplasmique du canal Kir connu sous le nom de « G loop gate ». Enfin j’ai caractérisé de mutations dans le gène ABCC9 codant pour SUR2A et associé au syndrome de Cantu (CS). Ces mutations sont localisées dans le domaine transmembranaire 0 (TMD0) de SUR2A, un domaine essentiel dans l’interaction entre Kir6.2 et SUR dans le complexe KATP. Les résultats suggèrent que les deux mutations cause une hyperactivité du canal via 2 mécanismes distincts : (1) Une diminution de la sensibilité de l’ATP affectant la modulation du PIP2, mais qui n’affecte pas l’activation par le Mg-ADP ou (2) aucun effets en réponse à l’ATP ou Mg-ADP, mais une sensibilité accrue au PIP2. Ces découvertes soulignent le rôle essentiel du TMD0 dans la modulation du « gating » de Kir6.2. En particulier, cela démontre qu’il y a un contrôle de la réponse du canal par des effecteurs intracellulaires qui se fixent sur Kir6.2, impliquant des interactions très liées entre Kir6.2 et la région TMD0.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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