Molecular mechanism of coupling of activation and inactivation gates of voltage-gated K+ channels  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
75904
Type K
Principal investigator Panyi, György
Title in Hungarian Az aktivációs és inaktivációs kapu csatolásának molekuláris mechanizmusa feszültség kapuzott K+ csatornákban
Title in English Molecular mechanism of coupling of activation and inactivation gates of voltage-gated K+ channels
Keywords in Hungarian lassú inaktiváció, csatolás, aktivációs kapu, inaktivációs kapu
Keywords in English slow inactivation, couplig, activation gate, inactivation gate
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)60 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Department of Biophysics and Cell Biology (University of Debrecen)
Participants Gáspár, Rezső
Hajdu, Péter Béla
Papp, Ferenc
Sárközi, Sándor
Telek-Haberberger, Andrea
Tóth, Ágnes
Tóth, Ágnes
Varga, Zoltán
Starting date 2008-11-01
Closing date 2013-10-31
Funding (in million HUF) 34.451
FTE (full time equivalent) 7.63
state closed project
Summary in Hungarian
A membránpotenciál és az akciós potenciál alakjának kialakításához szükséges K+ fluxust a feszültség kapuzott K+ csatornák (Kv) kapuzása szabályozza. Az aktivációs kapu (A-kapu) a membrán depolarizációjakor nyílik ki és a csatornákat vezető állapotba hozza, míg az lassú-inaktivációs kapu (P-kapu) záródása egy hosszan tartó nem-vezető állapotot eredményez, ami csökkenti a membrán K+ vezetőképességet befolyásolva ezzel pl. az idegsejtek ingerelhetőségét. Nemrég kimutattuk, hogy a csatorna citoszolikus bejáratánál található A-kapu és az extracelluláris bejáratnál található P-kapu csatoltak. A kutatási program e két kapu csatolásának molekuláris mechanizmusát vizsgálja. Ez magában foglalja a csatolást befolyásoló elektrosztikus kölcsönhatások vizsgálatát csatorna üregében, valamint a csatorna S6 hélixének merev rúdként történő mozgásának elemzését. Kíséreltet teszünk kölcsönható aminosav oldalláncok alternatív hálózatának felderítésére, melyek közvetlenül az inaktivációs kapu környékén helyezkednek el és az inaktivációs kinetikát szabályozó aminosav oldalláncok nem-kooperativ mozgását eredményezi. Feltételezzük, hogy az A- és P-kapuk csatolása kétirányú: az A-kapu állapota befolyásolja a P-kapu mozgását. A tervezett vizsgálatok a Kv csatornák élettani működésével kapcsolatos alapvető eredményekhez vezethetnek, beleértve az aktivációs és inaktivációs kapuk közötti kommunikáció és az inaktivációból történő visszatérés molekuláris mechanizmusának megértését.
Summary
K+ fluxes, required for membrane potential maintenance and action potential shaping in excitable cells (e.g. neurons), are regulated by gating processes of voltage-gated K+ (Kv) channels. The activation gate (A-gate) opens by depolarization of the membrane rendering the channels conductive whereas closing the slow-inactivation gate (P-gate) leads to a long-lasting non-conductive state, thereby limiting the K+ currents available for membrane potential control. We showed recently that the A-gate, located at the cytosolic entrance of the pore and the P-gate, located at the extracellular opening of the channel, are coupled. The research proposal aims to determine the pathway of the coupling between the two gates. This includes the delineation of the role of cavity electrostatics in the coupling and the determination of nature of the motion of the S6 helix as a rigid body. In addition, we plan to discover alternative networks of interacting residues near the P-gate, which may result in non-cooperative movements of amino acid side controlling inactivation. We also hypothesize that the A- and P-gates are bi-directionally coupled, i.e., the status of the A-gate should influence the movement of the slow-inactivation P-gate. The proposed study may lead to fundamental results concerning the physiological functioning of voltage-gated ion channels including the communication between the activation and inactivation gates and the pathway for recovery form inactivation of the channels.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt során meghonosított állapot függő cisztein modifikációs eljárás alkalmazásával tanulmányoztuk azt, hogy a feszültség-kapuzott K+ csatornák pórusát alkotó S6 szegmens helyzete változik-e a csatornák inaktivációs kapuzása során. Az S6 cisztein scanning mutagenezise és MTSET/MTSEA reagensekkel történő állapot-függő jelölése alapján megállapítottuk, hogy az S6 szegmens saját tengelye körüli forgó mozgást végez az inaktivációs lépés során, ez a mozgás pedig részt vehet az aktivációs és inaktivációs kapuk közötti kétirányú csatolásban. Hasonló technikát alkalmazva pontosan meghatároztuk azt, hogy a Shaker K+ csatornák aktivációs és inaktivációs kapu állapotának 4 lehetséges kombinációja közötti az átmenetek közül három egyirányú, a nyitott-inaktivált (OI) állapotban rögzített csatorna nem tud visszatérni az inaktivációból, ill. zárt állapotból (C) a Shaker K+ csatornák nem jutnak inaktivált állapotba (CI) a nyitott (O) állapot megkerülésével. Az eredményeink alapján javasolt kapuzási séma Shaker K+ csatornákra: C<->O->OI->CI->C. Nehézvíz (D2O) alkalmazásával sikerült bizonyítani annak az inaktivációs kapuzást szabályozó hidrogén kötés hálózatnak a funkcionális szerepét, amelyet molekuláris modellezéssel megjósoltak. Kísérleti eredményeink hozzájárulnak a feszültség-kapuzott Shaker K+ csatornák inaktivációs kapuzását befolyásoló molekuláris mechanizmusok megértéséhez, ill. új, Magyarországon egyedülálló kísérleti eljárásokat honosítottunk meg a laboratóriumban.
Results in English
Using state-dependent cysteine accessibility we have studied the the molecular motions of the pore-lining S6 segments of voltage-gated Shaker K+ channels during inactivation gating. Based on the state-dependent modification pattern (MTSET/MTSEA) of cysteines engineered in S6 we concluded that S6 rotates around its own axis during inactivation gating. This movement of S6 may participate in the bi-directional coupling of the activation and inactivation gates of Shaker K+ channels. Using similar experimental technique, we precisely determined that the transitions among the 4 possible combinations of the activation and inactivation gate states 3 transitions are uni-directional: the channels locked in the open-inactivated configuration (OI) cannot recover from inactivation and closed (C) channels do not inactivate directly to the closed-inactivated (CI) state without visiting the open (O) state. Based on our experiments the gating scheme of Shaker K+ channels is C<->O->OI->CI->C. Using heavy water (D2O) we proved the functional existence of the H-bond network regulating inactivation kinetics, which was proposed earlier based on molecular modelling and X-ray crystallography. In summary, our results contributed significantly to the understanding of the molecular mechanism of slow inactivation od Shaker K+ channels and the communication between the gates. In addition, we have established a new experimental technique in the laboratory which is unique in Hungary.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=75904
Decision
Yes





 

List of publications

  
Szanto, T.G., Papp, F., Zakany, F., Pian, T.*, Gajewski, C.*, Deutsch, C.*, and Panyi, G.: Molecular rearrangements during slow inactivation of the Shaker-IR potassium channel, Biophysical Journal, 2011
Papp, F., Szanto, T.G., Varga, Z., Zakany, F. and Panyi, G.: Activation gate opening precedes slow inactivation in shaker K+ channels, Biophysical Jpurnal, 2012
Szanto, T.G., Papp, F., Zakany, F., Panyi, G.: Locked-open activation gate prevents the recovery of Shaker-IR K+ channels from slow inactivation, Biophysical Journal, 2013
Szanto GT, Szilagyi O, Zakany F, Panyi G.: Mutations in the cavity affect the rate of slow inactivation in Shaker K+ channels, Biophysical Journal, 2014
Szanto GT, Szilagyi O., Panyi G.: The effect of D2O on the inactivation kinetics and recovery from slow inactivation of Shaker-IR K+ channels, Biophysical Journal, 2015
Varga, Z., Juhasz, T., Matta C., Fodor, J., Katona, E., Bartok, A., Olah, T., Sebe, A., Csernoch, L., Panyi, G., Zakany, R.: Switch of voltage-gated K+ channel expression in the plasma membrane of chondrogenic cells affects cytosolic Ca2+-oscillations and cartilage formation, PLOS1, 2011
Kis-Toth K, Hajdu P, Bacskai I, Szilagyi O, Papp F, Szanto A, Posta E, Gogolak P, Panyi G, Rajnavolgyi E.: Voltage-gated sodium channel Nav1.7 maintains the membrane potential and regulates the activation and chemokine-induced migration of a monocyte-derived dendritic cell sub, Journal of Immunology, 2011
Gurrola GB, Hernández-López RA, Rodríguez de la Vega RC, Varga Z, Batista CV, Salas-Castillo SP, Panyi G, del Río-Portilla F, Possani LD.: Structure, function, and chemical synthesis of Vaejovis mexicanus peptide 24: a novel potent blocker of Kv1.3 potassium channels of human T lymphocytes., Biochemistry 51:4049-61., 2012
Varga Z, Gurrola-Briones G, Papp F, Rodríguez de la Vega RC, Pedraza-Alva G, Tajhya RB, Gaspar R, Cardenas L, Rosenstein Y, Beeton C, Possani LD, Panyi G.: Vm24, a natural immunosuppressive peptide, potently and selectively blocks Kv1.3 potassium channels of human T cells., Mol Pharmacol. 82:372-82., 2012
Szilágyi O, Boratkó A, Panyi G., Hajdu P.: The role of PSD-95 in the rearrangement of Kv1.3 channels to the immunological synapse, Eur. J. Physiol, 2013
Luna-Ramírez K, Bartok A, Restano-Cassulini R, Quintero-Hernández V, Coronas FIV, Christensen J, Wright CE, Panyi G, and Possani LD: Structure, Molecular Modeling, and Function of the Novel Potassium Channel Blocker Urotoxin Isolated from the Venom of the Australian Scorpion Urodacus yaschenkoi, Molecular Pharmacology, 2014
Panyi G, Beeton C, Felipe A: Ion channels and anti-cancer immunity, Philisophical Transactions B, 2014
Bartok A, Toth A, Somodi S, Szanto GT, Hajdu P, Panyi G, Varga Z: Margatoxin is a non-selective inhibitor of human Kv1.3 K+ channels, Toxicon, 2014




 

Events of the project

  
2014-03-17 13:33:55
Résztvevők változása
2009-12-29 08:48:49
Résztvevők változása



Back »