La recherche révèle un mécanisme d’inactivation surprenant pour un canal ionique voltage-dépendant

Les scientifiques du St. Jude Children’s Research Hospital étudient les canaux ioniques voltage-dépendants (VGIC). Leurs travaux ont révélé un mécanisme d’inactivation jusqu’alors inconnu pour l’un de ces canaux qui joue un rôle important dans la façon dont les neurones et les muscles répondent aux signaux électriques envoyés par le système nerveux. Un article sur le travail est paru aujourd’hui dans Cellule moléculaire.

Les VGIC sont des protéines transmembranaires qui forment un pore qui s’ouvre et se ferme pour permettre le passage des ions dans ou hors d’une cellule. Les cellules telles que les neurones et les cellules musculaires répondent aux signaux électriques en ouvrant (activant) et en fermant leurs VGIC. Une activation et une fermeture appropriées des VGIC permettent à ces cellules de coordonner correctement leurs fonctions.

Les chercheurs ont utilisé des approches de microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), de biochimie et d’électrophysiologie pour étudier un VGIC appelé Kv4. Les mutations de Kv4 sont liées à des conditions neurologiques et cardiaques. Comprendre comment fonctionne Kv4 peut aider les chercheurs à identifier des stratégies thérapeutiques pour traiter ces troubles.

« La communication neuronale est basée sur la façon dont les électro-signaux sont transmis, qui est médiée par l’action des protéines dans la membrane neuronale. De nombreux chercheurs sont intéressés par l’étude de ce processus, mais il a été difficile à capturer », a déclaré l’auteur correspondant Chia-Hsueh. Lee, Ph.D., Département St. Jude de biologie structurale. « Nous avons pu capturer plusieurs états de ce canal ionique spécifique pour obtenir une meilleure image du fonctionnement de cette protéine dans les détails moléculaires. Nous étions ravis de constater que Kv4 fonctionne d’une manière distincte des autres types de VGIC.

Les chercheurs ont pu compléter et valider les découvertes structurelles avec les travaux d’électrophysiologie de collaborateurs de l’Université de Californie à San Francisco.

Découvrir pourquoi la voiture ne part pas : comprendre l’inactivation du Kv4

Les VGIC occupent différents états pour fonctionner. Les canaux peuvent passer de l’état repos/fermé à l’état activé/ouvert. Pensez à une voiture : lorsqu’elle est éteinte, elle est comme le VGIC à l’état de repos/fermé. Lorsque vous l’avez allumé et que vous conduisez, c’est comme le VGIC dans l’état activé/ouvert. Cependant, Kv4 peut également entrer dans un état inactivé, où le pore est fermé et ne répond pas. Imaginez une voiture dont le moteur est allumé et que vous appuyez sur l’accélérateur, mais que la voiture ne démarre pas, car le frein à main est serré.

Les chercheurs ont voulu comprendre comment le Kv4 passe entre ces différents états. À l’aide de cryo-EM, ils ont initialement capturé le canal dans trois conformations (formes) différentes, correspondant aux états activé/ouvert, inactivé et intermédiaire. Ces structures ont révélé les mécanismes à l’origine de l’inactivation de Kv4, qui comportait une rupture de symétrie inattendue d’une symétrie quadruple à double.

Comme les autres VGIC, Kv4 est composé de quatre copies identiques d’une protéine (imaginez un trèfle à quatre feuilles), et dans les états activé/ouvert et intermédiaire, les quatre copies adoptent la même conformation. En revanche, à l’état inactivé, les deux paires en vis-à-vis ont des conformations différentes. Pour capturer le Kv4 dans son état de repos/fermé, les chercheurs devaient « verrouiller » le canal dans cette position, en utilisant l’ingénierie des protéines et certains réactifs.

C’est la première fois que des chercheurs ont identifié le mécanisme d’inactivation à l’état fermé, et les approches utilisées ici pourraient être appliquées à d’autres canaux ioniques.

« Je pense que notre étude est assez excitante pour le domaine car nous avons pu obtenir plusieurs structures liées à des états fonctionnels pour un canal ionique », a déclaré le premier auteur Hongtu Zhao, Ph.D., St. Jude Structural Biology. « Pouvoir déterminer plusieurs structures de la même protéine et dans une seule étude nous a permis de tirer beaucoup d’informations en les comparant. Cela reflète vraiment la puissance de la cryo-EM. »