Functional architecture of olfactory ionotropic glutamate receptors.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate chemical communication between neurons at synapses. A variant iGluR subfamily, the Ionotropic Receptors (IRs), was recently proposed to detect environmental volatile chemicals in olfactory cilia. Here, we elucidate how these peripheral chemosensors have evolved mechanistically from their iGluR ancestors. Using a Drosophila model, we demonstrate that IRs act in combinations of up to three subunits, comprising individual odor-specific receptors and one or two broadly expressed coreceptors. Heteromeric IR complex formation is necessary and sufficient for trafficking to cilia and mediating odor-evoked electrophysiological responses in vivo and in vitro. IRs display heterogeneous ion conduction specificities related to their variable pore sequences, and divergent ligand-binding domains function in odor recognition and cilia localization. Our results provide insights into the conserved and distinct architecture of these olfactory and synaptic ion channels and offer perspectives into the use of IRs as genetically encoded chemical sensors. VIDEO ABSTRACT

Mutations in the palm domain disrupt modulation of acid-sensing ion channel 1a currents by neuropeptides.

Modulation by neuropeptides enhances several functions of acid-sensing ion channels (ASICs), such as pain sensation and acid-induced neuronal injury. The acid-induced opening of ASICs is transient, because of a rapid desensitization. Neuropeptides containing an Arg-Phe-amide motif affect ASIC desensitization and allow continuous activity of ASICs. In spite of the importance of the sustained ASIC activity during prolonged acidification, the molecular mechanisms of ASIC modulation by neuropeptides is only poorly understood. To identify the FRRFa (Phe-Arg-Arg-Phe-amide) binding site on ASIC1a, we carried out an in silico docking analysis and verified functionally the docking predictions. The docking experiments indicated three possible binding pockets, located (1) in the acidic pocket between the thumb, finger, β-ball and palm domains, (2) in a pocket at the bottom of the thumb domain, and (3) in the central vestibule along with the connected side cavities. Functional measurements of mutant ASIC1a confirmed the importance of residues of the lower palm, which encloses the central vestibule and its side cavities, for the FRRFa effects. The combined docking and functional experiments strongly suggest that FRRFa binds to the central vestibule and its side cavities to change ASIC desensitization

A CD36 ectodomain mediates insect pheromone detection via a putative tunnelling mechanism.

CD36 transmembrane proteins have diverse roles in lipid uptake, cell adhesion and pathogen sensing. Despite numerous in vitro studies, how they act in native cellular contexts is poorly understood. A Drosophila CD36 homologue, sensory neuron membrane protein 1 (SNMP1), was previously shown to facilitate detection of lipid-derived pheromones by their cognate receptors in olfactory cilia. Here we investigate how SNMP1 functions in vivo. Structure-activity dissection demonstrates that SNMP1's ectodomain is essential, but intracellular and transmembrane domains dispensable, for cilia localization and pheromone-evoked responses. SNMP1 can be substituted by mammalian CD36, whose ectodomain can interact with insect pheromones. Homology modelling, using the mammalian LIMP-2 structure as template, reveals a putative tunnel in the SNMP1 ectodomain that is sufficiently large to accommodate pheromone molecules. Amino-acid substitutions predicted to block this tunnel diminish pheromone sensitivity. We propose a model in which SNMP1 funnels hydrophobic pheromones from the extracellular fluid to integral membrane receptors

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix

Evolution of Acid-Sensing Olfactory Circuits in Drosophilids.

Animals adapt their behaviors to specific ecological niches, but the genetic and cellular basis of nervous system evolution is poorly understood. We have compared the olfactory circuits of the specialist Drosophila sechellia-which feeds exclusively on Morinda citrifolia fruit-with its generalist cousins D. melanogaster and D. simulans. We show that D. sechellia exhibits derived odor-evoked attraction and physiological sensitivity to the abundant Morinda volatile hexanoic acid and characterize how the responsible sensory receptor (the variant ionotropic glutamate receptor IR75b) and attraction-mediating circuit have evolved. A single amino acid change in IR75b is sufficient to recode it as a hexanoic acid detector. Expanded representation of this sensory pathway in the brain relies on additional changes in the IR75b promoter and trans-acting loci. By contrast, higher-order circuit adaptations are not apparent, suggesting conserved central processing. Our work links olfactory ecology to structural and regulatory genetic changes influencing nervous system anatomy and function