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‘C-type’ closed state and gating mechanisms of k2p channels revealed by conformational changes of the TREk-1 channel

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Journal of Molecular Cell Biology 2022年第1期14卷 47-55页

作者： Qiansen Zhang Jie Fu Shaoying Zhang peipei Guo Shĳie Liu Juwen Shen Jiangtao Guo Huaiyu Yang Shanghai key Laboratory of Regulatory Biology Institute of Biomedical SciencesSchool of Life SciencesEast China Normal UniversityShanghai 200241China Department of Biophysics and Department of pathology of Sir Run Run Shaw Hospital Zhejiang University School of MedicineHangzhou 310058China

Two-pore domain potassium (k2p) channels gate primarily within the selectivity filter, termed ‘C-type’ gating. Due to the lack of structural insights into the nonconductive (closed) state, ‘C-type’ gating mechanisms remain elusive. Here, molecular dynamics (MD) simulations on TREk-1, a k2p channel, revealed that M4 helix movements induce filter closing in a novel ‘deeper-down’ structure that represents a ‘C-type’ closed state. The ‘down’ structure does not represent the closed state as previously proposed and instead acts as an intermediate state in gating. The study identified the allosteric ‘seesaw’ mechanism of M4 helix movements in modulating filter closing. Finally, guided by this recognition of k2p gating mechanisms, MD simulations revealed that gain-of-function mutations and small-molecule activators activate TREk-1 by perturbing state transitions from open to closed states. Together, we reveal a ‘C-type’ closed state and provide mechanical insights into gating procedures and allosteric regulations for k2p channels.

关键词： k2p state selectivity filter C-type gating

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k2p channels and NMDA receptor as new targets of fast onset antidepressants

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中国药理学与毒理学杂志 2018年第9期32卷 711-711页

作者： LI Yang GUO Fei MA Yu-qin key Laboratory of Receptor Research Shanghai Institute of Materia Medica Chinese Academy of sciences Shanghai 201203 China

Major depressive disorder(MDD)is a common neuropsychiatric disorder characterized by diverse *** are big limitations of clinic medicine which highlighted an urgent and clear need for more efficacious and faster-acting therapeutic agents to treat patients with MDD,especially those who are refractory to the traditional *** the present study,we assessed a novel compound,YY-21,from timosaponin B-Ⅲ derived from sarsasapogenin of Anemarrhenae *** found that YY-21 obviously increased presynaptic glutamate release and enhanced long-term synaptic activity within 10 min as determined by excitatory postsynaptic current(EpSC) and field excitatory postsynaptic potential(fEpSp) in medial prefrontal cortex(mpFC) ***-21 demonstrated anxiolytic-like effects following acute administration in animals and reversed the depressivelike and anxiety phenotypes induced by chronic unpredictable mild stress(CMS) with a relatively fast therapeutic *** mechanism research reveals that NMDA receptors and two-pore domain potassium(k2p)(TREk1) channels emerged as new drug targets for faster acting antidepressants.k2 p channels generate leak currents that are responsible the maintenance of resting membrane *** are potential targets for the treatment of multiple *** we identify TkDC,an inhibitor of the TREk subfamily,including TREk1,TREk2 and TRAAk *** TkDC as a chemical probe,a combined study of computations,mutagenesis,and electrophysiology reveal an allosteric ligand-binding site in the extracellular cap of the *** molecular dynamics simulations suggest that ligand-induced allosteric conformational transitions cause a blockage of the ion conductive *** identification of the extracellular ligand-binding site is confirmed by the discovery of new inhibitors targeting this site using virtual *** results suggest that the extracellular cap of a k2p channel can act as a new allosteric site and may ser

关键词： k2p channels NMDA receptors major depressive disorder drug targets

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氯胺酮、依托咪酯对双孔钾离子通道TREk-1的电生理研究

氯胺酮、依托咪酯对双孔钾离子通道TREK-1的电生理研究

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作者：单金凤北京协和医学院

学位级别：硕士

双孔钾离子通道(two pore domain potassium channels,k2p)是 20 世纪 90 年代发现的一类新型钾离子通道,与传统的钾离子通道有所不同,它们的主要结构有四个横跨膜片段(M1-M4)以及两个结构域(p1、p2),即4TMS/2p结构。TREk-1在人体各种... 详细信息

双孔钾离子通道(two pore domain potassium channels,k2p)是 20 世纪 90 年代发现的一类新型钾离子通道,与传统的钾离子通道有所不同,它们的主要结构有四个横跨膜片段(M1-M4)以及两个结构域(p1、p2),即4TMS/2p结构。TREk-1在人体各种组织中都有分布,主要分布在中枢神经系统中,并且在大鼠和小鼠脑中都有广泛分布。随着科技发展,实验仪器的进步,人们对双孔钾通道的认识越来越深刻,许多研究表明TREk-1与脑缺血、脑卒中、抑郁中枢神经系统疾病相关,临床常用的治疗抑郁症的药物氟西汀就能明显的抑制TREk-1电流,经常被用来作为工具药。临床常用的一些挥发性麻醉剂比如氟烷、异氟烷都能够强烈的激活TREk-1,并且能够在脑缺血模型中发挥神经保护作用。全身麻醉剂氯胺酮、氯仿、依托咪酯对TREk-1也明显的激活作用。越来越多的科学研究表明TREk-1与人类多种疾病密切相关,对TREk-1的研究更值得我们深入和坚持。本论文主要利用膜片钳技术观察氯胺酮、依托咪酯对TREk-1的作用效果以及作用机制进行了初步研究。第一部分:氯胺酮对双孔钾通道TREk-1的电生理研究氯胺酮是一种静脉麻醉剂,临床上应用较为广泛。实验结果表明氯胺酮3、10、30、100 μM对TREk-1通道有明显激活作用,激活率分别为27.2±5.5%(n=4)、52.1±16.5%(n=5)、60.5±23.2%(n=5)、79.3%±19.5%(n=6),氯胺酮能够剂量依赖性的激活TREk-1。采用细胞内微透析方法观察氯胺酮10、30、100 μM也能够剂量依赖性激活TREk-1,激活率分别为18.6±9.2%(n=4),25.4±11.7%(n=5),43.5±20.9%(n=4),推测氯胺酮激活TREk-1作用的位点也存在于细胞内。温度也是双孔钾通道TREk-1的调控因素之一,使用温控器加温,观察到氯胺酮10μM在30℃时对TREk-1激活率为66.7±24.7%(n=4)明显高于氯胺酮10 μM在25℃时对TREk-1的激活率38.5±29.2%(n=3),氯胺酮和温度对TREk-1的激活能够协同发挥作用。氯仿为实验室经常使用的工具药,并且本实验室之前的结果表明氯仿对TREk-1具有一定的激活作用,本论文研究结果表明氯仿0.05、0.1、0.2 mM都能够强烈激活 TREk-1,激活率分别为 176.5±33.7%(n=5)、206.5±60.4%(n=5)、215.2± 48.2%(n=4),与氯胺酮相比氯仿的激活作用更强。实验结果表明氯胺酮能激活TREk-1,并且在细胞内外都能够发挥这一作用。除此之外,氯胺酮还能够和温度协同发挥对TREk-1的激活作用。氯仿对TREk-1也具有剂量依赖性激活作用,而且氯仿0.05 mM对TREk-1激活作用要强于氯胺酮100 μM对TREk-1的激活作用。可以考虑将氯仿在合适浓度范围内作为筛选TREk-1激活剂的阳性药。第二部分:依托咪酯对TREk-1的电生理研究本实验室前期研究表明,依托咪酯对TREk-1有激活作用,本论文根据本实验室前期研究,继续观察依托咪酯对TREk-1的调控机理。实验结果表明:依托咪酯3、10、15 μM对双孔钾通道TREk-1有明显的激活作用,分别能够激活到 115.0±3.9%(n=5,p=0.06)、142.1±16.3%(n=6,*p22.9±3.8%(n=4,*p20、25、30、100 μM 对 TREk-1具有一定的抑制作用,分别能够抑制到96.2%±5.0%(n=5),90.3±14.3%(n=7),87.8±14.6%(n=8),70.3±8.8%(n=5,*pk-1为双向调控作用。在Graphpad prism 5.0软件中使用单相指数衰减对依托咪酯浓度和变化率进行拟合,根据方程拟合方程y=(y0-plateau)*exp(-k*x)+plateau(y0=136.5 plateau=-28.70 k=0.08)计算出依托咪酯双向调节作用拐点为20.7 μM。观察了依托咪酯对电压依赖性钾通道kv2.1的作用,从依托咪酯对kv2.1的Ⅰ-Ⅴ曲线发现:依托咪酯在10 μM时对kv2.1有轻微抑制作用,但是与对照组相比没有显著性差异;依托咪酯30 μM对kv2.1也没有影响。为了验证依托咪酯对TREk-1的双向调节,分别观察依托咪酯10、30 μM对TREk-1 Ⅰ-Ⅴ曲线、静息膜电位和斜坡电流的影响。结果表明依托咪酯10μM、能够使TREk-1 Ⅰ-Ⅴ曲线左移,依托咪酯30μM对TREk-1 Ⅰ-Ⅴ曲线没有影响。依托咪酯10 μM组膜电位为-46.0±1.2 mV

关键词： k2p TREk-1 氯胺酮依托咪酯激活

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