Die Forschung enthüllt einen überraschenden Inaktivierungsmechanismus für einen spannungsgesteuerten Ionenkanal

Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital untersuchen spannungsgesteuerte Ionenkanäle (VGICs). Ihre Arbeit enthüllte einen bisher unbekannten Mechanismus der Inaktivierung für einen solchen Kanal, der eine wichtige Rolle dabei spielt, wie Neuronen und Muskeln auf elektrische Signale reagieren, die vom Nervensystem gesendet werden. Eine Abhandlung über die Arbeit ist heute in erschienen Molekulare Zelle.

VGICs sind Transmembranproteine, die eine Pore bilden, die sich öffnet und schließt, um den Durchgang von Ionen in oder aus einer Zelle zu ermöglichen. Zellen wie Neuronen und Muskelzellen reagieren auf elektrische Signale, indem sie ihre VGICs öffnen (aktivieren) und schließen. Die richtige Aktivierung und Schließung von VGICs ermöglicht es diesen Zellen, ihre Funktionen richtig zu koordinieren.

Die Forscher verwendeten kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), biochemische und elektrophysiologische Ansätze, um ein VGIC namens Kv4 zu untersuchen. Mutationen in Kv4 sind mit neurologischen und kardialen Erkrankungen verbunden. Das Verständnis der Funktionsweise von Kv4 kann Forschern helfen, therapeutische Strategien zur Behandlung solcher Störungen zu identifizieren.

„Die neuronale Kommunikation basiert darauf, wie Elektrosignale übertragen werden, was durch die Wirkung von Proteinen in der neuronalen Membran vermittelt wird. Viele Forscher sind daran interessiert, diesen Prozess zu untersuchen, aber es war schwierig, ihn zu erfassen“, sagte der korrespondierende Autor Chia-Hsueh Lee, Ph.D., St. Jude Institut für Strukturbiologie. „Wir konnten mehrere Zustände dieses spezifischen Ionenkanals erfassen, um ein besseres Bild davon zu bekommen, wie dieses Protein im molekularen Detail funktioniert. Wir waren begeistert, dass Kv4 auf eine Weise funktioniert, die sich von anderen Arten von VGICs unterscheidet.“

Die Forscher konnten die strukturellen Befunde mit elektrophysiologischen Arbeiten von Mitarbeitern der University of California San Francisco ergänzen und validieren.

Herausfinden, warum das Auto nicht fährt: Kv4-Inaktivierung verstehen

VGICs nehmen unterschiedliche Zustände ein, um zu funktionieren. Die Kanäle können vom Ruhezustand/geschlossenen in den aktivierten/offenen Zustand übergehen. Denken Sie an ein Auto: Wenn es ausgeschaltet ist, ist es wie das VGIC im Ruhe-/geschlossenen Zustand. Wenn Sie es eingeschaltet haben und fahren, ist das wie das VGIC im aktivierten/offenen Zustand. Kv4 kann jedoch auch in einen inaktivierten Zustand übergehen, in dem die Pore geschlossen ist und nicht reagiert. Stellen Sie sich ein Auto vor, bei dem der Motor läuft und Sie Gas geben, aber das Auto fährt nicht an, weil die Handbremse angezogen ist.

Die Forscher wollten verstehen, wie Kv4 zwischen diesen verschiedenen Zuständen übergeht. Mithilfe von Kryo-EM erfassten sie den Kanal zunächst in drei verschiedenen Konformationen (Formen), die den aktivierten/offenen, inaktivierten und Zwischenzuständen entsprachen. Diese Strukturen enthüllten die Mechanismen hinter der Kv4-Inaktivierung, die einen unerwarteten Symmetriebruch von vier- zu zweizähliger Symmetrie aufwies.

Wie andere VGICs besteht Kv4 aus vier identischen Kopien eines Proteins (stellen Sie sich ein vierblättriges Kleeblatt vor), und in den aktivierten/offenen und Zwischenzuständen nehmen alle vier Kopien dieselbe Konformation an. Im inaktivierten Zustand hingegen haben die beiden einander zugewandten Paare unterschiedliche Konformationen. Um Kv4 in seinem ruhenden/geschlossenen Zustand einzufangen, mussten die Forscher den Kanal mithilfe von Protein-Engineering und bestimmten Reagenzien in dieser Position „verriegeln“.

Dies ist das erste Mal, dass Forscher den Mechanismus für die Inaktivierung des geschlossenen Zustands identifiziert haben, und die hier verwendeten Ansätze könnten auf andere Ionenkanäle angewendet werden.

„Ich denke, unsere Studie ist für das Gebiet ziemlich aufregend, weil wir mehrere Strukturen erhalten konnten, die mit funktionellen Zuständen für einen Ionenkanal zusammenhängen“, sagte Erstautor Hongtu Zhao, Ph.D., St. Jude Structural Biology. „In der Lage zu sein, mehrere Strukturen desselben Proteins in einer einzigen Studie zu bestimmen, ermöglichte es uns, viele Informationen aus dem Vergleich zu ziehen. Dies spiegelt wirklich die Leistungsfähigkeit der Kryo-EM wider.“