Identification and Characterization of a Novel Voltage Gating Mechanism in Extracellular-pH-sensitive K2P Channels

Nematian Ardestani, Ehsanollah ORCID

By contributing to the establishment of the resting membrane potential and repolarization after an action potential, K2P channels play a major role in the electrical excitability and activity of the cells. In this work I investigated the voltage-dependent gating properties of extracellular pH (pHex) sensitive K2P channels (TASK, TALK and TWIK subfamilies) and discovered a novel voltage-sensing mechanism. Unlike the canonical voltage-activated ion channels (CaV, KV and NaV) that use a charged membrane domain to sense voltage, the voltage sensor in K2P channels is formed by the selectivity filter which gates open or close in response to rearrangement of the ions within it. The rearrangement is determined by both the permeant ion species and direction of the ion flow. Outward flow of the ions leads to opening of filter whereas the inward flow shots the filter closed. To explain the underlining structural mechanisms of this “ion-flux check valve” gating, in this study, two distinct but intertwined mechanisms are introduced, namely the “Pause-and-Turn” and the “Ion Zipper” models. I also show that mutations within the selectivity filter can abolish the voltage gating of the pHex sensitive K2P channel and make them permanently open at all voltages, which emphasizes the role of the selectivity filter for voltage gating. TWIK-1 channels exhibit little activity in cells. Similar to other K2P channels, TWIK-1 shows voltage activation with non-physiological ions such as Rb+. But this voltage activation is independent of the ion flow direction and blocked by unusual low K+ concentrations. In addition, TWIK-1 activity is inhibited by intracellular H+ resulting in low activity at physiological pH. In summary, these unusual gating features in TWIK-1 can explain the low activity of these channels in the plasma membrane.

Die Familie der K2P Kanäle zählt 15 humane Mitglieder, die maßgeblich an der Etablierung des Ruhemembranpotentials und der Repolarisation von Aktionspotentialen beteiligt sind. In dieser Arbeit wurde die Aktivierung von TASK, TALK und TWIK Unterfamilien durch Veränderung der Membranspannung untersucht. Diese Kanäle werden alle durch den extrazellulären pH reguliert und hier als pHex-regulierte K2P Kanäle zusammengefasst. Ich konnte zeigen, dass diese Kanäle durch einen neuartigen Mechanismus auf Änderungen der Spannung reagieren. Kanonische spannungsabhängige Ionenkanälen benutzen eine geladene Membrandomäne. Der Spannungssensor in K2P Kanälen befindet sich hingegen im Selektivitätsfilter,dessen Ionenbesatz sich in Abhängigkeit der permierenden Ionenspezies und der Membranspannung ändert. Dabei zeigte sich, dass die Auswärtsbewegung von Ionen den Filter öffnet, während Einwärtsbewegung den Filter schließt. Um diesen stromrichtungsabhängigen „Ventilklappenmechanismus“ zu erklären, werden zwei unterschiedliche, aber miteinander verwobene Mechanismen dargestellt – ein „Pause and Turn“ und ein „Ion-Zipper“ Mechanismus. Im Gegensatz zu den meisten anderen K2P Kanälen zeigen TWIK-1 Kanäle nur kleine Ströme in Zellen. Um dieses Eigenschaft besser zu verstehen, habe ich das spannungsabhängige Schaltverhalten der TWIK-1 Kanälen untersucht. TWIK-1 Kanäle werden ebenso wie viele andere K2P Kanäle durch nicht-physiologische Ionen wie Rb+ stark aktiviert, aber die aktivierten Ströme zeigten keine Abhängigkeit von der Stromrichtung (fehlender „Ventilklappenmechanismus“) und wurden außerdem durch ungewöhnlich niedrige K+ Konzentration blockiert. Des Weiteren zeigen TWIK-1 Kanäle eine deutlich Inhibition durch intrazelluläre H+ im physiologischen pH Bereich. Diese ungewöhnlichen Schalteigenschaften der TWIK-Kanäle (d.h. geringe Spannungsaktivierung und starke intrazelluläre pH Inhibition) erklären die sehr niedrige Aktivität von TWIK-1 Kanälen in der Zellmembran.

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Nematian Ardestani, Ehsanollah: Identification and Characterization of a Novel Voltage Gating Mechanism in Extracellular-pH-sensitive K2P Channels. 2017.

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