Ionenkanal vs. Ionentransporter: Mechanismen der K(+)-Translokation in der Superfamilie der K(+)-Transporter

• Antragstellerin: Professorin Dr. Inga Hänelt
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266161834

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Austausch von Substanzen über die Membranen wird durch Kanäle und Transporter bewerkstelligt. Traditionell wurden diese beiden Klassen aufgrund ihrer differenzierten Funktionen und unterschiedlichen Translokationsraten als getrennt betrachtet. Zum Zeitpunkt der Antragsstellung wurde diese strikte Trennung jedoch immer mehr in Frage gestellt. Um Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Kanälen und Transportern zu identifizieren, erforschten wir die Struktur-Funktions-Beziehung von bakteriellen Mitgliedern der K+-Transporter-Superfamilie, da diese in Anwesenheit regulatorischer Untereinheiten als aktive Transporter zu funktionieren schienen, während ihre zentralen Untereinheiten K+-Kanälen ähneln. Speziell wurden der potentielle K+/Na+-Symporter KtrAB und die K+-Pumpe KdpFABC untersucht. Entgegen der Hypothese zeigten wir, dass KtrAB ein Na+- und Nukleotid-abhängiger K+-Kanal ist. Na+, das wahrscheinlich in KtrB bindet, erhöht die Selektivität der K+-Bindung und moduliert die Offen-Wahrscheinlichkeit der Gates. Die Bindung von ATP und ADP an den regulatorischen KtrA-Ring kontrolliert das Öffnen des Kanals. In Anwesenheit von ADP interagieren verlängerte Helices des KtrB-Dimers mit KtrA und stabilisieren das geschlossene Gate. Ist ATP gebunden, ändert sich die Konformation von KtrA, wodurch wahrscheinlich die Helices zu helikale Haarnadeln werden, was das Öffnen des Gates bedingt. Letzteres geht vermutlich mit einer Wechselwirkung der N-Termini von KtrB mit der umgebenden Membran einher. KdpFABC ist tatsächlich eine echte Chimäre aus einem K+-Kanal und einer P-Typ-ATPase. Wir konnten zeigen, dass K+ selektiv an den Selektivitätsfilter von KdpA bindet, von wo aus es durch einen Tunnel zur kanonischen Bindestelle in KdpB weitergeleitet wird. Nach dem Übergang vom E1-P- zum E2-P-Zustand wird K+ über einen zweiten Halbkanal ins Zytosol freigesetzt. Weiterhin konnten wir die strukturelle Grundlage der Hemmung von KdpFABC durch eine Serinphosphorylierung aufklären. Bei erhöhtem externen K+ wird KdpFABC in einem Off- Cycle-E1-P-Zustand gefangen, der das Pumpen von K+ verhindert. Strukturell ist der Zustand erforderlich, um elektrostatische Abstoßungen im vorangehenden, hochenergetischen E1-P- Zustand zu entschärfen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir bemerkenswerte Nuancen der Funktionen und Mechanismen von KtrAB und KdpFABC zutage fördern konnten. KtrAB stellt anhand von kanonischen 2-TM-K+-Kanälen abgeleitete Konventionen in Frage. In ähnlicher Weise entpuppte sich KdpFABC als eine außergewöhnliche Chimäre aus einem K+-Kanal und einer P-Typ-AT Pase, die den hochaffinen, selektiven und aktiven K+-Transport gewährleistet. Es bleibt die spannende Frage, ob die Fusion eines K+-Kanals und einer P-Typ-ATPase stattfand, um die besondere Funktion zu erfüllen, oder ob solche Verbindungen die Vorläufer der heute vorherrschenden P-Typ-ATPasen waren, aber die zusätzliche Kanaluntereinheit im Laufe der Evolution abgestoßen wurden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Author response: Helical jackknives control the gates of the double-pore K+ uptake system KtrAB.
  Diskowski, Marina; Mehdipour, Ahmad Reza; Wunnicke, Dorith; Mills, Deryck J.; Mikusevic, Vedrana; Bärland, Natalie; Hoffmann, Jan; Morgner, Nina; Steinhoff, Heinz-Jürgen; Hummer, Gerhard; Vonck, Janet & Hänelt, Inga
  
• Cryo-EM structures of KdpFABC suggest a K+ transport mechanism via two inter-subunit half-channels. Nature Communications, 9(1).
  Stock, C.; Hielkema, L.; Tascón, I.; Wunnicke, D.; Oostergetel, G. T.; Azkargorta, M.; Paulino, C. & Hänelt, I.
  
• Native mass spectrometry goes more native: investigation of membrane protein complexes directly from SMALPs. Chemical Communications, 54(97), 13702-13705.
  Hellwig, Nils; Peetz, Oliver; Ahdash, Zainab; Tascón, Igor; Booth, Paula J.; Mikusevic, Vedrana; Diskowski, Marina; Politis, Argyris; Hellmich, Yvonne; Hänelt, Inga; Reading, Eamonn & Morgner, Nina
  
• A channel profile report of the unusual K+ channel KtrB. Journal of General Physiology, 151(12), 1357-1368.
  Mikušević, Vedrana; Schrecker, Marina; Kolesova, Natalie; Patiño-Ruiz, Miyer; Fendler, Klaus & Hänelt, Inga
  
• Membrane Protein Solubilization and Quality Control: An Example of a Primary Active Transporter. Methods in Molecular Biology, 93-103.
  Stock, Charlott & Hänelt, Inga
  
• Structural basis of proton-coupled potassium transport in the KUP family. Nature Communications, 11(1).
  Tascón, Igor; Sousa, Joana S.; Corey, Robin A.; Mills, Deryck J.; Griwatz, David; Aumüller, Nadine; Mikusevic, Vedrana; Stansfeld, Phillip J.; Vonck, Janet & Hänelt, Inga
  
• Two Ways To Convert a Low-Affinity Potassium Channel to High Affinity: Control of Bacillus subtilis KtrCD by Glutamate. Journal of Bacteriology, 202(12).
  Krüger, Larissa; Herzberg, Christina; Warneke, Robert; Poehlein, Anja; Stautz, Janina; Weiß, Martin; Daniel, Rolf; Hänelt, Inga & Stülke, Jörg
  
• Deciphering ion transport and ATPase coupling in the intersubunit tunnel of KdpFABC. Nature Communications, 12(1).
  Silberberg, Jakob M.; Corey, Robin A.; Hielkema, Lisa; Stock, Charlott; Stansfeld, Phillip J.; Paulino, Cristina & Hänelt, Inga
  
• Molecular Mechanisms for Bacterial Potassium Homeostasis. Journal of Molecular Biology, 433(16), 166968.
  Stautz, Janina; Hellmich, Yvonne; Fuss, Michael F.; Silberberg, Jakob M.; Devlin, Jason R.; Stockbridge, Randy B. & Hänelt, Inga
  
• Inhibited KdpFABC transitions into an E1 off-cycle state. eLife, 11.
  Silberberg, Jakob M.; Stock, Charlott; Hielkema, Lisa; Corey, Robin A.; Rheinberger, Jan; Wunnicke, Dorith; Dubach, Victor R. A.; Stansfeld, Phillip J.; Hänelt, Inga & Paulino, Cristina