Investigation des mécanismes d’activation et de couplage du canal potassique voltage-dépendant KV7.1 dans les cardiomyocytes à l’aide de méthodes computationnelles

KV7.1 is a voltage-gated ion channel that open to selectively diffuse K+ ions across the plasma membrane upon membrane depolarization. In the myocardium tissue, KV7.1 channel is co-expressed with the ancillary subunit KCNE1 to generate the IKS current during cardiac action potential. The mutations of KV7.1 and KCNE1that are linked to severe cardiac arrhythmias make KV7.1 channel a major therapeutic target. Each α-subunit of KV7.1 tetramer counts six transmembrane helices (S1 to S6), the first four ones forming the voltage-sensor domain (VSD), and the last two ones forming the pore domain (PD). This channel has a 2-step activation mechanism involving three stable states: resting, intermediate and activated. These conformations can induce pore opening or closure by a process called VSD-PD coupling. Accordingly, the states for KV7.1 channel are Resting/Closed (RC), Intermediate/Open (IO) and Activated/Open (AO). In the presence of KCNE1, the coupling is inhibited in the intermediate state, thus the states for IKS channel are RC, Intermediate/Closed (IC) and AO. Furthermore, the lipid PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) plays a crucial role in the VSD-PD coupling of KV7 channels. Despite the information drawn from both functional and structural studies of KV7.1, the modulation mechanisms of its VSD-PD coupling by KCNE1 and PIP2 remain unclear at an atomistic level. With the help of powerful computational tools, we designed molecular models of Kv7.1 in order to have a better understanding of its function. The study of these models, conducted in collaboration with Pr. Jianmin Cui’s research team (Washington University of Saint-Louis, USA) allowed us to obtain four novel results about the way Kv7.1 opens. Indeed, this joint study revealed a novel VSD-PD coupling mechanism that we conceptualized by a “hand-and-elbow” model likely to occur in all domain swapped (KV1- KV7) channels. The analyses of IKS MD trajectories suggest that KCNE1 disrupts the “hand-and-elbow” model. In addition, the interactions between KCNE1 and PIP2 form a tourniquet around the cytoplasmic region of S6, leading to pore closure in both RC and IC models. Finally, the S6 helix of KV7.1 has a motif SFF (338-340), highly conserved in KV7 family, which forms an unidentified hydrophobic gate in KV7.1 pore. Two of these results were confirmed by in vitro experiments conducted by our collaborators on this channel, which validates the quality of our models for innovative therapeutic research.KV7.1 est un canal ionique voltage-dépendant qui diffuse des ions K+ à travers la membrane plasmique lorsque cette dernière se dépolarise. Au sein du myocarde, KV7.1 est co-exprimé avec la sous-unité auxiliaire KCNE1 pour générer le courant IKS lors du potentiel d’action cardiaque. Les mutations de KV7.1 et de KCNE1 associées à des arythmies cardiaques sévères font du canal KV7.1 une cible thérapeutique majeure. KV7.1 est un tétramère dont chaque sous-unité α compte six hélices transmembranaires (S1 à S6). Les quatre premières hélices forment le domaine sensible au voltage (VSD), tandis que les deux dernières forment celui du pore (PD). Le mécanisme d’activation de KV7.1 s’effectue en deux étapes, stabilisant le VSD en trois états stables : repos, intermédiaire, et activé. Ces conformations peuvent induire l’ouverture ou la fermeture du pore via un processus appelé couplage VSD-PD. Ainsi, les états de KV7.1 sont Repos/Fermé (RC), Intermédiaire/Ouvert (IO) et Activé/Ouvert. En présence de KCNE1, le couplage n’a pas lieu à l’état intermédiaire, donc les états du complexe IKS sont RC, Intermédiaire/Fermé (IC) et AO. En outre, le lipide PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) est indispensable au couplage VSD-PD des canaux KV7. Malgré ces informations apportées par les études expérimentales du canal KV7.1, le mécanisme de modulation de son couplage par ses modulateurs KCNE1 et PIP2 à l’échelle atomistique reste à découvrir. A l’aide de puissants outils informatiques, nous avons conçu des modèles moléculaires de KV7.1 afin de mieux comprendre sa fonction. L’étude de ces modèles, menées en collaboration avec l’équipe de recherche du Pr. Jianmin Cui (Université Washington de Saint-Louis, Etats-Unis) nous a permis d’obtenir quatre résultats innovants sur la manière dont KV7.1 s’ouvre. En effet, cette étude intégrative a permis de conceptualiser un modèle de couplage inédit pour KV7.1, appelé « main- et-coude » et ayant lieu dans l’ensemble des familles de canaux KV1 à KV9. Les analyses des trajectoires DM de IKS indiquent que KCNE1 perturbe le modèle « main-et-coude ». De plus, es interactions entre KCNE1 et PIP2 autour des hélices S6 forment un garrot induisant la fermeture du pore dans les états RC et IC. Enfin, l’hélice S6 de KV7.1 contient un motif SFF (338-340), conservé au sein de la famille KV7, qui forme une porte hydrophobe inédite. Deux de ces résultats ont été confirmés par les résultats expérimentaux obtenus par nos collaborateurs, validant la qualité de nos modèles pour de futures recherches thérapeutiques

Investigation of activation and coupling mechanisms of the voltage-gated potassium channel KV7.1 in cardiomyocytes using computational methods

KV7.1 est un canal ionique voltage-dépendant qui diffuse des ions K+ à travers la membrane plasmique lorsque cette dernière se dépolarise. Au sein du myocarde, KV7.1 est co-exprimé avec la sous-unité auxiliaire KCNE1 pour générer le courant IKS lors du potentiel d’action cardiaque. Les mutations de KV7.1 et de KCNE1 associées à des arythmies cardiaques sévères font du canal KV7.1 une cible thérapeutique majeure. KV7.1 est un tétramère dont chaque sous-unité α compte six hélices transmembranaires (S1 à S6). Les quatre premières hélices forment le domaine sensible au voltage (VSD), tandis que les deux dernières forment celui du pore (PD). Le mécanisme d’activation de KV7.1 s’effectue en deux étapes, stabilisant le VSD en trois états stables : repos, intermédiaire, et activé. Ces conformations peuvent induire l’ouverture ou la fermeture du pore via un processus appelé couplage VSD-PD. Ainsi, les états de KV7.1 sont Repos/Fermé (RC), Intermédiaire/Ouvert (IO) et Activé/Ouvert. En présence de KCNE1, le couplage n’a pas lieu à l’état intermédiaire, donc les états du complexe IKS sont RC, Intermédiaire/Fermé (IC) et AO. En outre, le lipide PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) est indispensable au couplage VSD-PD des canaux KV7. Malgré ces informations apportées par les études expérimentales du canal KV7.1, le mécanisme de modulation de son couplage par ses modulateurs KCNE1 et PIP2 à l’échelle atomistique reste à découvrir. A l’aide de puissants outils informatiques, nous avons conçu des modèles moléculaires de KV7.1 afin de mieux comprendre sa fonction. L’étude de ces modèles, menées en collaboration avec l’équipe de recherche du Pr. Jianmin Cui (Université Washington de Saint-Louis, Etats-Unis) nous a permis d’obtenir quatre résultats innovants sur la manière dont KV7.1 s’ouvre. En effet, cette étude intégrative a permis de conceptualiser un modèle de couplage inédit pour KV7.1, appelé « main- et-coude » et ayant lieu dans l’ensemble des familles de canaux KV1 à KV9. Les analyses des trajectoires DM de IKS indiquent que KCNE1 perturbe le modèle « main-et-coude ». De plus, es interactions entre KCNE1 et PIP2 autour des hélices S6 forment un garrot induisant la fermeture du pore dans les états RC et IC. Enfin, l’hélice S6 de KV7.1 contient un motif SFF (338-340), conservé au sein de la famille KV7, qui forme une porte hydrophobe inédite. Deux de ces résultats ont été confirmés par les résultats expérimentaux obtenus par nos collaborateurs, validant la qualité de nos modèles pour de futures recherches thérapeutiques.KV7.1 is a voltage-gated ion channel that open to selectively diffuse K+ ions across the plasma membrane upon membrane depolarization. In the myocardium tissue, KV7.1 channel is co-expressed with the ancillary subunit KCNE1 to generate the IKS current during cardiac action potential. The mutations of KV7.1 and KCNE1that are linked to severe cardiac arrhythmias make KV7.1 channel a major therapeutic target. Each α-subunit of KV7.1 tetramer counts six transmembrane helices (S1 to S6), the first four ones forming the voltage-sensor domain (VSD), and the last two ones forming the pore domain (PD). This channel has a 2-step activation mechanism involving three stable states: resting, intermediate and activated. These conformations can induce pore opening or closure by a process called VSD-PD coupling. Accordingly, the states for KV7.1 channel are Resting/Closed (RC), Intermediate/Open (IO) and Activated/Open (AO). In the presence of KCNE1, the coupling is inhibited in the intermediate state, thus the states for IKS channel are RC, Intermediate/Closed (IC) and AO. Furthermore, the lipid PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) plays a crucial role in the VSD-PD coupling of KV7 channels. Despite the information drawn from both functional and structural studies of KV7.1, the modulation mechanisms of its VSD-PD coupling by KCNE1 and PIP2 remain unclear at an atomistic level. With the help of powerful computational tools, we designed molecular models of Kv7.1 in order to have a better understanding of its function. The study of these models, conducted in collaboration with Pr. Jianmin Cui’s research team (Washington University of Saint-Louis, USA) allowed us to obtain four novel results about the way Kv7.1 opens. Indeed, this joint study revealed a novel VSD-PD coupling mechanism that we conceptualized by a “hand-and-elbow” model likely to occur in all domain swapped (KV1- KV7) channels. The analyses of IKS MD trajectories suggest that KCNE1 disrupts the “hand-and-elbow” model. In addition, the interactions between KCNE1 and PIP2 form a tourniquet around the cytoplasmic region of S6, leading to pore closure in both RC and IC models. Finally, the S6 helix of KV7.1 has a motif SFF (338-340), highly conserved in KV7 family, which forms an unidentified hydrophobic gate in KV7.1 pore. Two of these results were confirmed by in vitro experiments conducted by our collaborators on this channel, which validates the quality of our models for innovative therapeutic research

Modulation of the IKS channel by PIP2 requires two binding sites per monomer

The phosphatidyl-inositol-4,5-bisphosphate (PIP2) lipid has been shown to be crucial for the coupling between the voltage sensor and the pore of the potassium voltage-gated KV7 channel family, especially the KV7.1 channel. Expressed in the myocardium membrane, KV7.1 forms a complex with KCNE1 auxiliary subunits to generate the IKS current. Here we present molecular models of the transmembrane region of this complex in its three known states, namely the Resting/Closed (RC), the Intermediate/Closed (IC), and the Activated/Open (AO), robustness of which is assessed by agreement with a range of biophysical data. Molecular Dynamics (MD) simulations of these models embedded in a lipid bilayer including phosphatidyl-inositol-4,5-bisphosphate (PIP2) lipids show that in presence of KCNE1, two PIP2 lipids are necessary to stabilize each state. The simulations also show that KCNE1 interacts with both PIP2 binding sites, forming a tourniquet around the pore and preventing its opening. The present investigation provides therefore key molecular elements that govern the role of PIP2 in KCNE1 modulation of IKS channels, possibly a common mechanism by which auxiliary KCNE subunits might modulate a variety of other ion channels