Structural and functional studies of pentameric ligand-gated ion channels from bacteria

par Haidai Hu

Thèse de doctorat en Biologie structurale

Sous la direction de Marc Delarue.

Soutenue le 15-12-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) , en partenariat avec Dynamique structurale des macromolécules (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Venien-Bryan.

Le jury était composé de Jérôme Hénin, Pierre Legrand.

Les rapporteurs étaient Daniel Picot, Nicolas Reyes.

  • Titre traduit

    Etudes structurales et fonctionnelles de canaux ioniques pentamériques liés à des ligands provenant de bactéries


  • Résumé

    Les canaux ioniques pentamériques activables par un ligand (pLGIC) sont l'une des principales familles de canaux transmembranaires. Ils permettent la transduction rapide du signal dans le système nerveux central et périphérique via la liaison de neurotransmetteurs. Les pLGIC sont également présents chez les archées et les bactéries. Seuls deux pLGIC bactériens ont été caractérisés biochimiquement et structurellement jusqu'à présent (GLIC et ELIC). Ils servent de modèle d’étude à de nombreux scientifiques et ont été largement étudiés aussi bien au niveau fonctionnel que structural. Dans la première partie de mon travail de thèse, j'ai purifié, cristallisé et résolu la structure cristalline d'un nouveau pLGIC originaire d'un symbiote de gamma-protéobactérie de Tevnia jerichonana (sTeLIC). Des expériences fonctionnelles montrent que sTeLIC est activé par un pH alcalin, est sélectif pour les ions cationiques monovalents et inhibé par les cations divalents. La structure cristalline résolue à pH 8,0 présente un pore largement ouvert qui est le premier de ce type à être caractérisé dans cette famille pLGIC. De plus, nous avons identifié un modulateur fortement positif qui se lie au "site vestibulaire" dans le domaine extracellulaire, et nous avons résolu la structure cristalline de ce complexe. Des expériences fonctionnelles montrent également que sTeLIC partage de nombreuses fonctionnalités avec ELIC. ELIC et sTeLIC constitutent les archétypes d’une nouvelle classe de pLGICs, dont la forme active se caractérise par un pore largement plus ouvert que les autres pLGICs.Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, les résidus senseurs de protons dans GLIC ont été cartographiés, afin de déterminer comment la liaison du proton stabilise l'état ouvert de GLIC. Tous les résidus titrables de GLIC ont été cartographiés par mutagenèse dirigée afin de découvrir des capteurs de protons impliqués dans le processus de déclenchement. Nous avons ainsi démontré que la résidu E35 est un résidu clé, dont la forme chargée stabilise l’état de repos, et la forme protonée l'état actif. Nous avons également démontré que la réponse au proton dépend de deux réseaux distincts à l'interface ECD-TMD qui stabilisent l'état ouvert de GLIC. Dans la troisième partie, j'ai cloné, purifié, cristallisé et déterminé les structures cristallines des formes ouvertes et fermées de DeCLIC, un pLGIC de la protéobactérie Desulfofustis. Chaque sous-unité contient un grand domaine additionnel N-terminal constitué de deux sous-domaines (NTD1 et NTD2). Il s’agit de la première structure d’un pLGIC qui contient un domaine supplémentaire extracellulaire non-canonique.


  • Résumé

    Ligand-gated pentameric ion channels (pLGIC) are one of the major families of transmembrane receptors. They allow rapid signal transduction in the central and peripheral nervous systems via neurotransmitters binding. PLGICs are also present in archaea and bacteria. Only two bacterial pLGICs have been biochemically and structurally characterized so far (GLIC and ELIC). They serve as working models for many scientists and have been extensively studied both at the functional and structural levels. In the first part of my thesis, I purified, crystallized and solved the crystal structure of a new pLGIC from gamma-proteobacterial symbionts of Tevnia jerichonana (sTeLIC). Functional experiments show that sTeLIC is activated by alkaline pH, and is selective for monovalent cationic ions and inhibited by divalent cations. The crystal structure solved at pH 8.0 displays a widely open pore that is the first of this kind to be characterized in the pLGIC family. In addition, we identified a strongly positive modulator that binds to the "vestibule site" in the extracellular domain, and we solved the crystal structure of this complex. Functional experiments show that sTeLIC shares many features with ELIC. ELIC and sTeLIC are the archetypes of a new class of pLGICs, whose active form is characterized by a much more open pore than other pLGICs. In the second part of my thesis, the proton sensor residues in GLIC have been mapped. All titratable GLIC residues were tested by site-directed mutagenesis to discover proton sensors involved in the triggering process. We have demonstrated that the residue E35 is a key residue, whose charged form stabilizes the resting state, and the protonated form the active state. We have also demonstrated that the proton response is dependent on two distinct networks at the ECD-TMD interface, which stabilize the open state of GLIC.In the third part of my thesis, I cloned, purified, crystallized and determined the crystal structures of the open and closed forms of DeCLIC, a pLGIC of Desulfofustis proteobacterium. Each subunit contains a large N-terminal additional domain consisting of two subdomains (NTD1 and NTD2). This is the first structure of a pLGIC which contains a non-canonical additional extracellular domain.

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