La cryo-ME révèle comment les canaux Kir4.1/5.1 bloquent le flux de potassium

Les canaux potassiques à rectification entrante (Kir) régissent le potentiel membranaire et l'homéostasie du potassium dans le cœur, le cerveau, le rein et l'oreille interne. Parmi eux, le canal hétéromérique Kir4.1/5.1 — formé par les produits des gènes KCNJ10 et KCNJ16 — revêt une importance particulière : des mutations de KCNJ10 provoquent le syndrome EAST/SeSAME (épilepsie, ataxie, surdité neurosensorielle, tubulopathie rénale), et l'inhibition pharmacologique de Kir4.1/5.1 produit des effets diurétiques et antidépresseurs dans des modèles animaux. Malgré des décennies de travaux en électrophysiologie et en mutagenèse, le mécanisme à l'échelle atomique par lequel des polyamines telles que la spermine bloquent ces canaux pour produire la rectification entrante était resté non résolu.

L'équipe de recherche a exprimé des constructions tronquées mais fonctionnellement validées de Kir4.1 (résidus 25–368) et Kir5.1 (résidus 20–355), confirmé que leurs propriétés électrophysiologiques correspondaient à celles des canaux pleine longueur, et les a purifiées dans des micelles de détergent glyco-diosgénine (GDN) en l'absence de PIP2. Par cryo-EM à particule unique, ils ont déterminé quatre structures : le canal apo et ses complexes avec la spermine, VU0134992 et EHop-016, toutes à une résolution de 3,1–3,5 Å. Le canal s'assemble en un hétérotétramère 2:2 en disposition alternée (opposée) — et non selon l'ordre 4-5-4-5 précédemment supposé — mesurant environ 115 × 65 × 70 Å, avec un domaine transmembranaire conservé et un domaine cytoplasmique riche en feuillets bêta.

La découverte la plus frappante est un mécanisme de « blocage en anneau interne ». Plutôt que de s'enfiler linéairement le long de l'axe du pore comme précédemment supposé, la spermine (deux molécules), VU0134992 (deux molécules) et EHop-016 (une molécule) adoptent toutes une orientation parallèle à la membrane au niveau du site supérieur de la cavité centrale transmembranaire. Elles forment une barrière en forme d'anneau qui occlut le flux ionique. Le résidu acide clé E158 de Kir4.1 (le « contrôleur de rectification ») coordonne ces ligands, ce qui explique pourquoi la mutation de ce résidu abolit la rectification forte. Les données structurales sont corroborées par l'électrophysiologie et les simulations de dynamique moléculaire, qui confirment que l'occupation du site par un bloqueur empêche le courant K+ sortant.

EHop-016, jusqu'alors connu uniquement comme inhibiteur de la GTPase Rac aux propriétés anticancéreuses, a été identifié ici pour la première fois comme un puissant inhibiteur des canaux Kir, avec des valeurs d'IC50 de 0,80 ± 0,05 μM pour Kir4.1 et de 3,20 ± 0,18 μM pour Kir4.1/5.1. Son occupation en molécule unique au site de l'anneau interne contraste avec la liaison en deux molécules de la spermine et de VU0134992, illustrant ainsi la façon dont la géométrie moléculaire détermine la stœchiométrie du blocage. Les deux interfaces distinctes des sous-unités cytoplasmiques (Kir4/5 canonique et Kir5/4 atypique) diffèrent également sur le plan structural et expliquent vraisemblablement la sensibilité au pH unique de l'hétéromère ainsi que sa rectification plus forte comparée à celle du Kir4.1 homomérique.

Ces structures établissent un cadre unifié pour comprendre la pharmacologie des canaux Kir et fournissent un modèle pour la conception rationnelle de médicaments ciblant Kir4.1/5.1 dans les maladies neurologiques, cardiovasculaires et rénales.