Études structurales, fonctionnelles et de la dynamique conformationnelle d’un canal à potassium Kir : vers le mécanisme moléculaire d’ouverture et de fermeture de ce canal

Structural, functional and conformational dynamics studies of a Kir channel : towards the gating molecular mechanism of this channel

• Auteur / Autrice : Charline Fagnen
• Direction : Catherine Vénien-Bryan, David Perahia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique et biologie des systèmes
• Date : Soutenance le 28/05/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chahrazade El Amri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Baaden, Thérèse Malliavin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Etchebest, Yves-Henri Sanejouand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanisme d'action (biochimie)

Cryomicroscopie

Effets physiologiques

Canaux potassiques

Mots clés libres

Kir

Canal

Dynamique moléculaire

Modes normaux

HDX-Ms

MDeNM

Mécanisme d'ouverture/fermeture

Kir

Channel

Molecular Dynamics

Normal Modes

Hdx-Ms

MDeNM

Gating mechanism

Résumé

Les canaux potassiques (Kir) à rectification entrante sont des protéines transmembranaires impliquées dans des processus physiologiques fondamentaux. Des pathologies existantes sont directement liées à des mutations de ces canaux : des mutations au niveau de Kir2.1 et Kir6.2 provoquent le syndrome d'Andersen et l'hyperinsulinisme respectivement. Cette étude a quatre objectifs: i) comprendre le mécanisme moléculaire d’ouverture et de fermeture de KirBac3.1, ii) comprendre l'impact de la mutation W46R sur le canal, iii) comprendre l'impact de la mutation S129R, une mutation conçue pour stabiliser l’état ouvert du canal, iv) résoudre la structure de Kir2.1 humain par cryo-microscopie. Pour étudier le comportement de ce système, la dynamique moléculaire utilisant la méthode des modes normaux excités (MDeNM) a été employée. Les résultats ont été confrontés à la méthode de HDX-MS et à des expériences d’électrophysiologie pour validation. Pour déterminer la structure de Kir2.1 WT, nous avons utilisé la cryo-microscopie électronique combinée à l’analyse d’images. Des mouvements clés du mécanisme d’ouverture/fermeture du canal ont été détectés comme l'implication du domaine cytoplasmique, des hélices de glissement et transmembranaires. Concernant KirBac3.1 W46R, une modification des interactions entraîne la rupture des interactions entre le bas des deux hélices transmembranaires provoquant le soulèvement de l'hélice de glissement facilitant l’ouverture du canal. La mutation S129R repousse les points de constriction et maintient le canal ouvert avec un rôle surprenant de la mutation R129. L’étude de Kir2.1 par cryo-microscopie a donné une densité électronique de résolution de 7 Å.

Inwardly-rectifying potassium (Kir) channels are transmembrane proteins involved in fundamental physiological processes. Pathologies are directly linked to a mutation of these channels: some mutations in Kir2.1 and Kir6.2 cause the Andersen’s syndrome and hyperinsulinism, respectively. This study has four objectives: i) to understand the gating mechanism of the KirBac3.1, ii) to understand the impact of the mutation W46R on the channel (W68R equivalent in Kir6.2 causing hyperinsulinsm), iii) to understand the impact of the mutation S129R on the channel, iv) to resolve the structure of Kir2.1 at an atomic level. To study the dynamical characteristics of this system, Molecular Dynamics using excited Normal Modes (MDeNM) method was used. The results were confronted to HDX-MS Spectrometry and electrophysiological experiments for validation. To determine the structure of the human Kir2.1 WT, we are using cryo-electron microscopy combined with image analysis. Key motions in the gating mechanism were determined like the involvement of the cytoplasmic domain, the slide-helix and the transmembrane helices during the opening of the channel. Concerning W46R, a modification in these interaction at the level of the residue 46 causes the loss of interactions between the bottoms of the two transmembrane helices that triggers the uprising of the slide-helix which opens the channel. The study of KirBac3.1 S129R mutant in the open state explains how the mutation pushes away the point of constriction and keeps the channel open with a surprising role of the mutation R129. We investigated the structure of Kir2.1 by cryo-EM and obtained an electronic density at 7 Å resolution.