Développement d'un biosenseur BRET permettant le criblage de drogues qui causent l'activation de canaux Kir3 via les récepteurs couplés aux protéines G

Les récepteurs couplés aux protéines G forment des complexes multimériques comprenant protéines G et effecteurs. Nous cherchons à caractériser de tels complexes comprenant les récepteurs opioïdes delta (DOR) et les canaux Kir3, qui nous sont d’intérêt vu leur implication dans l’analgésie des opioïdes. Des expériences d’immunopurification, de BRET et de liaison GTPgS ont été réalisées à l’intérieur de cellules HEK293 transfectées. Les canaux Kir3 ont été co-immunopurifiés avec les DOR, suggérant une interaction spontanée entre récepteur et effecteur. Des essais BRET ont corroboré que l’interaction était présente dans des cellules vivantes et nous ont permis d’identifier une interaction spontanée et spécifique entre DOR/Gg et Gg/Kir3, indiquant leur coexistence en un même complexe. Puisque l’activation du récepteur implique la présence de changements conformationnels à l’intérieur de celui-ci, nous étions intéressés à vérifier si l’information conformationnelle circule à partir du récepteur lié au ligand jusqu’à l’effecteur en aval. Ainsi, nous avons déterminé l’effet de différents ligands sur le signal BRET généré par les paires suivantes : DOR/Gbg, DOR/Kir3 et Kir3/Gbg. Nous avons constaté une modulation de l’interaction DOR/Gbg et Gbg/Kir3 suivant l’ordre d’efficacité des ligands à stimuler la protéine G, ce que nous n’avons pas observé entre DOR et Kir3. Donc, nous concluons que l’information conformationnelle circule du récepteur au canal Kir3 via la protéine Gbg. Ces résultats nous ont permis de développer un biosenseur BRET (EYFP-Gg2/Kir3.1-Rluc) qui pourrait être utilisé dans le criblage à haut débit afin de détecter de nouvelles molécules ayant une grande efficacité à activer les canaux Kir3.

Régulation du complexe constitutif formé par le récepteur opioïde delta et le canal potassique de la famille Kir3

Les opioïdes sont les analgésiques les plus efficaces dans le traitement des douleurs sévères. Ils produisent leurs effets en ciblant spécifiquement les récepteurs opioïdes localisés tout le long de la voie de perception de la douleur où ils modulent la transmission de l'information douloureuse. La plupart des études dans ce domaine essaient de caractériser les récepteurs opioïdes à l'état isolé de tout partenaire de signalisation. Cette thèse, par contre, montre que le récepteur opioïde delta (DOR) peut former un complexe avec sa protéine G et l'un de ses effecteurs impliqués dans la production de l'effet analgésique, le canal potassique à rectification entrante activée par les protéines G (Kir3 ou GIRK). Après avoir établi la présence de ce complexe constitutif, on a ensuite caractérisé sa stabilité, modulation et régulation suite à une stimulation avec des agonistes opioïdes. En premier lieu, on a caractérisé la transmission de l'information du récepteur DOR, suite à son activation par un agoniste, vers le canal Kir3. On a remarqué que cette transmission ne suit pas le modèle de collision, généralement accepté, mais nécessite plutôt un simple changement dans la conformation du complexe préformé. Ensuite, on a déterminé que même suite à l'activation prolongée du récepteur DOR par un agoniste complet, le complexe DOR/Kir3 maintenait son intégrité et a été reconnu par la βarrestine (βarr) comme une seule unité signalétique provoquant ainsi l'internalisation de DOR et Kir3 par un mécanisme clathrine et dynamine-dépendant. Ainsi, prises ensemble, ces données montrent que l'activation du récepteur DOR déclenche non seulement l'activation de l'effecteur Kir3 mais également un mécanisme de régulation qui élimine cet effecteur de la membrane plasmique.

钾离子通道Kir2.1/C-末端功能区的分子动力学模拟

<正>内向整流型钾离子通道(Kir,inwardlyrectifyingpotassium)在细胞激活、细胞内外钾离子K~+的动态平衡、胰岛素分泌等细胞生理过程中起重要作用。而细胞内各种不同因素和第二信使对Kir的调控则是实现其不同生理功能的途径。已有实验结果表明,4,5二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2,phosphatidylinositol4,5-bisphosphate)与Kir相互作用的强弱决定了Kir对各种调控因素的响应程度。根据Kir2.1与Kir3.1胞内C-末端X-ray

Role of G protein coupled inwardly rectifier K+ channels (GIRK) on the neurobiology depression

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Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

Human γ-aminobutyric acid type B receptors are differentially expressed and regulate inwardly rectifying K+ channels

γ-Aminobutyric acid type B receptors (GABABRs) are involved in the fine tuning of inhibitory synaptic transmission. Presynaptic GABABRs inhibit neurotransmitter release by down-regulating high-voltage activated Ca2+ channels, whereas postsynaptic GABABRs decrease neuronal excitability by activating a prominent inwardly rectifying K+ (Kir) conductance that underlies the late inhibitory postsynaptic potentials. Here we report the cloning and functional characterization of two human GABABRs, hGABABR1a (hR1a) and hGABABR1b (hR1b). These receptors closely match the pharmacological properties and molecular weights of the most abundant native GABABRs. We show that in transfected mammalian cells hR1a and hR1b can modulate heteromeric Kir3.1/3.2 and Kir3.1/3.4 channels. Heterologous expression therefore supports the notion that Kir3 channels are the postsynaptic effectors of GABABRs. Our data further demonstrate that in principle either of the cloned receptors could mediate inhibitory postsynaptic potentials. We find that in the cerebellum hR1a and hR1b transcripts are largely confined to granule and Purkinje cells, respectively. This finding supports a selective association of hR1b, and not hR1a, with postsynaptic Kir3 channels. The mapping of the GABABR1 gene to human chromosome 6p21.3, in the vicinity of a susceptibility locus (EJM1) for idiopathic generalized epilepsies, identifies a candidate gene for inherited forms of epilepsy.

The role of members of the pertussis toxin-sensitive family of G proteins in coupling receptors to the activation of the G protein-gated inwardly rectifying potassium channel

Inwardly rectifying potassium (K+) channels gated by G proteins (Kir3.x family) are widely distributed in neuronal, atrial, and endocrine tissues and play key roles in generating late inhibitory postsynaptic potentials, slowing the heart rate and modulating hormone release. They are directly activated by Gβγ subunits released from G protein heterotrimers of the Gi/o family upon appropriate receptor stimulation. Here we examine the role of isoforms of pertussis toxin (PTx)-sensitive G protein α subunits (Giα1–3 and GoαA) in mediating coupling between various receptor systems (A1, α2A, D2S, M4, GABAB1a+2, and GABAB1b+2) and the cloned counterpart of the neuronal channel (Kir3.1+3.2A). The expression of mutant PTx-resistant Gi/oα subunits in PTx-treated HEK293 cells stably expressing Kir3.1+3.2A allows us to selectively investigate that coupling. We find that, for those receptors (A1, α2A) known to interact with all isoforms, Giα1–3 and GoαA can all support a significant degree of coupling to Kir3.1+3.2A. The M4 receptor appears to preferentially couple to Giα2 while another group of receptors (D2S, GABAB1a+2, GABAB1b+2) activates the channel predominantly through Gβγ liberated from GoA heterotrimers. Interestingly, we have also found a distinct difference in G protein coupling between the two splice variants of GABAB1. Our data reveal selective pathways of receptor activation through different Gi/oα isoforms for stimulation of the G protein-gated inwardly rectifying K+ channel.

γ-Aminobutyric acid type B receptors are expressed and functional in mammalian cardiomyocytes

γ-Hydroxybutyrate (GHB), an anesthetic adjuvant analog of γ-aminobutyrate (GABA), depresses cell excitability in hippocampal neurons by inducing hyperpolarization through the activation of a prominent inwardly rectifying K+ (Kir3) conductance. These GABA type B (GABAB)-like effects are clearly shown at high concentrations of GHB corresponding to blood levels usually reached during anesthesia and are mimicked by the GABAB agonist baclofen. Recent studies of native GABAB receptors (GABABRs) have favored the concept that GHB is also a selective agonist. Furthermore, cloning has demonstrated that GABABRs assemble heteromeric complexes from the GABABR1 and GABABR2 subtypes and that these assemblies are activated by GHB. The surprisingly high tissue content, together with anti-ischemic and protective effects of GHB in the heart, raises the question of a possible influence of GABAB agonists on excitable cardiac cells. In the present study, we provide electrophysiological evidence that GHB activates an inwardly rectifying K+ current in rat ventricular myocytes. This effect is mimicked by baclofen, reversibly inhibited by GABAB antagonists, and prevented by pertussis toxin pretreatment. Both GABABR1 and GABABR2 are detected in cardiomyocytes by Western blotting and are shown to coimmunoprecipitate. Laser scanning confocal microscopy discloses an even distribution of the two receptors in the sarcolemma and along the transverse tubular system. Hence, we conclude that GABABRs are distributed not only in neuronal tissues but also in the heart, where they can be activated and induce electrophysiological alterations through G-protein-coupled inward rectifier potassium channels.

Mechanism underlying bupivacaine inhibition of G protein-gated inwardly rectifying K+ channels

Local anesthetics, commonly used for treating cardiac arrhythmias, pain, and seizures, are best known for their inhibitory effects on voltage-gated Na+ channels. Cardiovascular and central nervous system toxicity are unwanted side-effects from local anesthetics that cannot be attributed to the inhibition of only Na+ channels. Here, we report that extracellular application of the membrane-permeant local anesthetic bupivacaine selectively inhibited G protein-gated inwardly rectifying K+ channels (GIRK:Kir3) but not other families of inwardly rectifying K+ channels (ROMK:Kir1 and IRK:Kir2). Bupivacaine inhibited GIRK channels within seconds of application, regardless of whether channels were activated through the muscarinic receptor or directly via coexpressed G protein Gβγ subunits. Bupivacaine also inhibited alcohol-induced GIRK currents in the absence of functional pertussis toxin-sensitive G proteins. The mutated GIRK1 and GIRK2 (GIRK1/2) channels containing the high-affinity phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) domain from IRK1, on the other hand, showed dramatically less inhibition with bupivacaine. Surprisingly, GIRK1/2 channels with high affinity for PIP2 were inhibited by ethanol, like IRK1 channels. We propose that membrane-permeant local anesthetics inhibit GIRK channels by antagonizing the interaction of PIP2 with the channel, which is essential for Gβγ and ethanol activation of GIRK channels.

Tertiapin-Q blocks recombinant and native large conductance K+ channels in a use-dependent manner

Tertiapin, a short peptide from honey bee venom, has been reported to specifically block the inwardly rectifying K+ (Kir) channels, including G protein-coupled inwardly rectifying potassium channel (GIRK) 1 + GIRK4 heteromultimers and ROMK1 homomultimers. In the present study, the effects of a stable and functionally similar derivative of tertiapin, tertiapin-Q, were examined on recombinant human voltage-dependent Ca2+-activated large conductance K+ channel (BK or MaxiK; alpha-subunit or hSlo1 homomultimers) and mouse inwardly rectifying GIRK1 + GIRK2 (i.e., Kir3.1 and Kir3.2) heteromultimeric K+ channels expressed in Xenopus oocytes and in cultured newborn mouse dorsal root ganglion (DRG) neurons. In two-electrode voltage-clamped oocytes, tertiapin-Q (1-100 nM) inhibited BK-type K+ channels in a use- and concentration-dependent manner. We also confirmed the inhibition of recombinant GIRK1 + GIRK2 heteromultimers by tertiapin-Q, which had no effect on endogenous depolarization- and hyperpolarization-activated currents sensitive to extracellular divalent cations (Ca2+, Mg2+, Zn2+, and Ba2+) in defolliculated oocytes. In voltage-clamped DRG neurons, tertiapin-Q voltage- and use-dependently inhibited outwardly rectifying K+ currents, but Cs+-blocked hyperpolarization-activated inward currents including I-H were insensitive to tertiapin-Q, baclofen, barium, and zinc, suggesting absence of functional GIRK channels in the newborn. Under current-clamp conditions, tertiapin-Q blocked the action potential after hyperpolarization (AHP) and increased action potential duration in DRG neurons. Taken together, these results demonstrate that the blocking actions of tertiapin-Q are not specific to Kir channels and that the blockade of recombinant BK channels and native neuronal AHP currents is use-dependent. Inhibition of specific types of Kir and voltage-dependent Ca2+-activated K+ channels by tertiapin-Q at nanomolar range via different mechanisms may have implications in pain physiology and therapy.