Fonction et modulation des canaux potassiques voltage-dépendants : étude par simulations de dynamique moléculaire

On the function and modulation of voltage-gated potassium channels : Insights from large-scale all-atom molecular dynamics simulations

• Auteur / Autrice : Lucie Delemotte
• Direction : Mounir Tarek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie informatique et théorique
• Date : Soutenance le 22/09/2011
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SRSMC - Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes - UMR 7565
• Jury : Président / Présidente : Xavier Assfeld
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael L. Klein, Gildas Loussouarn
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Baaden, Erik Lindahl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Connexines

Maladies héréditaires

Simulation, Méthodes de

Dynamique moléculaire

Canaux potassiques

Mots clés libres

Canaux potassiques voltage-dépendants

Cellules

Signaux électriques

Dynamique moléculaire

Résumé

Les canaux ioniques voltage-dépendants (CIVD) sont des protéines transmembranaires ubiquitaires impliquées dans la transmission de signaux électriques dans les cellules excitables. Lors de variations du potentiel transmembranaire, ces canaux subissent un changement conformationnel donnant lieu à leur ouverture, médié par des résidus basiques conservés appartenant au domaine sensible à la tension (DST). De nombreux détails de leur fonction ont été révélés par des années de mesures expérimentales mais des questions fondamentales sur leur dynamique à l'échelle moléculaire restent d'actualité. Partant de la structure cristallographique du canal potassique du rat Kv1.2 ouvert, nous avons mené des simulations de dynamique moléculaire du canal inséré dans son environnement lipidique soumis à un potentiel hyperpolarisant. Nous avons suivi la désactivation du DST et ainsi découvrir trois états intermédiaires entre les conformations ouverte et fermée. Les calculs de la charge liée à l'activation ou encore les contacts moléculaires sont en accord avec les résultats expérimentaux, et nous proposons un modèle de la désactivation complète qui réconcilie les modèles divergents. Utilisant ce modèle, nous avons caractérisé certains aspects de la modulation des CIVD: la mutation de résidus basiques spécifiques de S4 impliqués dans des maladies génétiques induit l'apparition de courants de fuite « oméga » en accord avec l'expérience et nous expliquons en partie la modification de la dépendance au voltage des CIVD lorsque les lipides avoisinants sont modifiés chimiquement. Nous concluons en étendant cette étude aux canaux humains de la famille des Kv7 qui sont d'importance physiologique.

Voltage gated ion channels (VGCs) are ubiquitous transmembrane (TM) proteins involved in electrical signaling in excitable cells. Their gating (opening-closing), triggered by changes in the TM voltage, proceeds through a sensing mechanism involving conserved positively charged residues belonging to the voltage sensor domain (VSD). Details on the function of such channels have been revealed thanks to decades of experimental investigations but questions concerning the molecular level function of these proteins still remain under active debate. Starting from the ''open state'' crystal structure of the rat potassium VGC Kv1.2, we have carried out large-scale all-atom molecular dynamics simulations of the channel embedded in its lipidic environment submitted to a hyperpolarized potential. This allowed to follow the deactivation of the VSD and to uncover three intermediate states between the open and closed conformations. We report gating charge calculations or else state dependent molecular contacts that comply with experimental results and propose accordingly a model of the entire deactivation that conciliates the diverging views proposed so far. Using this model, we further characterize at the molecular level the modulation mechanisms of VGCs: specific mutations of basic residues of the VSD involved in genetic diseases are shown to induce state-dependent ''omega'' leak currents, in agreement with electrophysiology and a partial conclusion is proposed to explain the alteration of VGC voltage-dependency when the lipids embedding them are chemically modified. We conclude by extending this study to human VGCs (Kv7 family) of physiological relevance.