Naᵥ-igating voltage-gated sodium channels : structure, biophysics and modulation

Sudha Bhagavath Eswaran, Vishal; Lampert, Angelika; Carloni, Paolo; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion

doi:44836

Naᵥ-igating voltage-gated sodium channels : structure, biophysics and modulation

Sudha Bhagavath Eswaran, Vishal^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sudha Bhagavath Eswaran, Vishal M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Carloni, Paolo (Thesis advisor)^RWTH* ; Lampert, Angelika (Thesis advisor)^RWTH* ; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09943
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1022314/files/1022314.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 2416 - GRK 2416: MultiSenses-MultiScales: Neue Ansätze zur Aufklärung neuronaler multisensorischer Integration (368482240) (368482240)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (Navs) sind wichtig für die Übertragung elektrischer Reize durch Neuronen und erzeugen den schnellen Aufstrich der Aktionspotenziale. Verschiedene Kanalopathien dieser Membranproteine führen zu einer Vielzahl von klinischen Krankheitsphänotypen, die sich grob in eine Verstärkung oder einen Verlust der Funktion einteilen lassen. Wenn wir verstehen, wie diese Kanäle entweder physiologisch oder extern durch künstlich hergestellte chemische Verbindungen moduliert werden können, wird dies unser Verständnis der Funktionsweise dieser Kanäle verbessern und bessere Strategien zur Behandlung von Krankheiten ermöglichen. In dieser Arbeit untersuche ich die modulatorischen Aspekte von Navs anhand verschiedener Systeme, die als Beispiel für physiologische (Punktmutationen, Membranzusammensetzung) oder künstliche Nav-Modulation dienen: 1. Ich verwende eine Kombination aus grobkörniger Molekulardynamik, Ganzzell-PatchClamp- und extrazellulären Protein-Tagging-Techniken, um zu zeigen, dass eine Loss-of-Function-Mutation, die sich in der Membran befinden kann, die Geometrie der äußeren Pore stören und damit die Ionenleitung blockieren kann. 2. Ich verwende ein modifiziertes Protokoll für grobkörnige Molekulardynamik, um zu zeigen, wie wichtig die Geometrie der Kanalstruktur für die Gewährleistung einer ordnungsgemäßen schnellen Inaktivierung ist und wie diese bei Funktionsgewinnmutationen gestört wird. 3. Ich zeige mit In-vitro- und In-silico-Experimenten, dass der Cholesteringehalt der Zellmembran für das korrekte Nav1.7-Gating entscheidend ist und dass eine pharmakologische Reduzierung des Cholesterins zu einer Funktionssteigerung von Nav1.7 führt. 4. Ich sage voraus, dass die Lokalanästhesiestelle die wahrscheinlichste Bindungsstelle für den α-Adrenorezeptorblocker Phentolamin in Navs ist, indem ich computergestützte Andockstrategien für Arzneimittel anwende. In meiner Dissertation stelle ich ein neues Paradigma zum Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen von Navs vor, indem ich verschiedene In-silico-Tools mit In-vitro-Techniken kombiniere. Auf molekularer Ebene etabliere ich Methoden zur Visualisierung und Analyse struktureller Veränderungen und verbinde sie mit mechano-funktionellen Signaturen. Außerdem validiere ich diese Signaturen mit In-vitro-Tools auf zellulärer Ebene. Dies wiederum ermöglicht die Untersuchung von Struktur-Funktions-Beziehungen aus verschiedenen Blickwinkeln und erweitert unser Verständnis der Wechselwirkungen von Navs mit der Zellmembran und der Modulation durch externe Medikamente.

Voltage-gated sodium channels (Navs) are important for the transmission of electrical stimuli across neurons, creating the upstroke phase of an action potential. Various channelopathies in these membrane proteins lead to a variety of clinical disease phenotypes, broadly categorizable into either gain or loss of function. Thus, understanding how these channels can be modulated either physiologically or externally by artificially generated compounds will improve our understanding of how these channels function, allowing better strategies for treatment of diseases. In this thesis, I explore the modulatory aspects of Navs using various systems as an example for either physiological (point mutations, membrane composition) or artificial Nav modulation: 1. I utilize a combination of coarse-grained molecular dynamics, whole-cell patch clamp and extracellular protein tagging techniques to show that a loss-of-function mutation successfully trafficking to the membrane can disrupt the geometry of the outer pore and thus block ion conduction. 2. I utilize a modified protocol for coarse-grained molecular dynamics to show the importance of geometry in ensuring proper fast inactivation and how this is disrupted in gain-of-function mutations. 3. I show with in-vitro and in-silico experiments that cholesterol content of the cell membrane is crucial for proper Nav1.7 gating and pharmacological depletion of cholesterol results in gain-of-function of Nav1.7. 4. I predict the local anaesthetic site to be the most probable binding site for the αadrenoreceptor blocker phentolamine in Navs by using computational drug docking strategies. My thesis introduces a novel paradigm on how to understand the structure-function relationships of Navs by combining various in-silico tools with in-vitro techniques. At a molecular level, I establish methods to visualize and analyze structural changes and link them to mechano-functional signatures. I also validate these signatures using in-vitro tools at a cellular level. This in turn allows the investigation of structure-function relationships from multiple angles, augmenting our understanding of Nav interactions with the membrane and modulation by external drugs.

OpenAccess:
PDF
(additional files)