Kryo-EM enthüllt, wie Kir4.1/5.1-Kanäle den Kaliumfluss blockieren

Einwärts rektifizierende Kalium-(Kir-)Kanäle steuern das Membranpotenzial und die Kaliumhomöostase im Herz, Gehirn, in der Niere und im Innenohr. Besondere Bedeutung kommt dabei dem heteromeren Kir4.1/5.1-Kanal zu – gebildet aus den Genprodukten von KCNJ10 und KCNJ16: Mutationen in KCNJ10 verursachen das EAST/SeSAME-Syndrom (Epilepsie, Ataxie, sensorineurale Schwerhörigkeit, renale Tubulopathie), und die pharmakologische Hemmung von Kir4.1/5.1 erzeugt in Tiermodellen diuretische und antidepressive Effekte. Trotz jahrzehntelanger elektrophysiologischer Forschung und Mutagenese-Studien war der atomare Mechanismus, durch den Polyamine wie Spermin diese Kanäle blockieren und so die Einwärtsrektifizierung erzeugen, bislang ungeklärt.

Das Forschungsteam exprimierte trunkierte, funktionell validierte Konstrukte von Kir4.1 (Reste 25–368) und Kir5.1 (Reste 20–355), bestätigte, dass ihre elektrophysiologischen Eigenschaften mit denen der Volllängenkanäle übereinstimmen, und reinigte sie in Glyco-Diosgenin-(GDN-)Detergenz-Mizellen ohne PIP2. Mittels Einzelpartikel-Kryo-EM bestimmten sie vier Strukturen: den Apo-Kanal sowie Komplexe mit Spermin, VU0134992 und EHop-016, alle bei einer Auflösung von 3,1–3,5 Å. Der Kanal assembliert als 2:2-Heterotetramer in einer alternierenden (gegenüberliegenden) Anordnung – nicht in der bisher angenommenen 4-5-4-5-Reihenfolge – mit Abmessungen von etwa 115 × 65 × 70 Å, einer konservierten Transmembrandomäne und einer zytoplasmatischen, beta-strang-reichen Domäne.

Der bemerkenswerteste Befund ist ein Mechanismus der sogenannten „Inner-Ring-Blockade". Anstatt sich – wie bisher angenommen – linear entlang der Porenachse zu orientieren, nehmen Spermin (zwei Moleküle), VU0134992 (zwei Moleküle) und EHop-016 (ein Molekül) allesamt eine membranparallele Ausrichtung an der oberen Bindungsstelle der transmembranären Zentralkavität ein. Sie bilden eine ringartige Barriere, die den Ionenfluss blockiert. Der entscheidende saure Rest E158 in Kir4.1 – der sogenannte „Rectification Controller" – koordiniert diese Liganden, was erklärt, warum eine Mutation dieses Rests die starke Rektifizierung aufhebt. Die Strukturdaten werden durch Elektrophysiologie und Molekulardynamiksimulationen gestützt, die bestätigen, dass die Blockerbesetzung an dieser Stelle den auswärts gerichteten K⁺-Strom verhindert.

EHop-016, bislang ausschließlich als Rac-GTPase-Inhibitor mit antikarzinogenen Eigenschaften bekannt, wurde hier erstmals als potenter Kir-Kanal-Inhibitor identifiziert, mit IC50-Werten von 0,80 ± 0,05 μM für Kir4.1 und 3,20 ± 0,18 μM für Kir4.1/5.1. Seine Einzelmolekül-Besetzung an der Inner-Ring-Bindungsstelle steht im Gegensatz zur Zweimolekül-Bindung von Spermin und VU0134992 und verdeutlicht, wie die molekulare Geometrie die Stöchiometrie der Blockade bestimmt. Die beiden unterschiedlichen zytoplasmatischen Untereinheits-Grenzflächen (kanonische Kir4/5- und atypische Kir5/4-Grenzfläche) unterscheiden sich auch strukturell und bilden wahrscheinlich die Grundlage für die einzigartige pH-Sensitivität des Heteromers und seine stärkere Rektifizierung im Vergleich zu homomeren Kir4.1-Kanälen.

Diese Strukturen begründen einen einheitlichen Rahmen zum Verständnis der Kir-Kanal-Pharmakologie und bieten eine Vorlage für die rationale Entwicklung von Wirkstoffen, die Kir4.1/5.1 bei neurologischen, kardiovaskulären und renalen Erkrankungen gezielt adressieren.