Atomic-level insights into ion conduction and ion selectivity of TMEM16 lipid scramblases

Kostritskii, Andrei; Machtens, Jan-Philipp; Carloni, Paolo; Fitter, Jörg

doi:HT021582944

Atomic-level insights into ion conduction and ion selectivity of TMEM16 lipid scramblases = Untersuchung der Ionenleitfähigkeit und -selektivität von TMEM16-Lipidskramblasen in atomarer Auflösung

Kostritskii, Andrei^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andrei Kostritskii, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Machtens, Jan-Philipp (Thesis advisor)^RWTH* ; Carloni, Paolo (Thesis advisor)^RWTH* ; Fitter, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09731
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854710/files/854710.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
TMEM16 (frei) ; ion channels (frei) ; ion selectivity (frei) ; lipid scramblases (frei) ; molecular dynamics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ca$^{2+}$-aktivierte Lipidskramblasen der TMEM16-Familie sind Membranproteine, welche den bidirektionalen Transport von Lipiden zwischen den beiden Hälften der Zellmembran ermöglichen. TMEM16-Lipidskramblasen fungieren zusätzlich als Ionenkanäle und spielen wichtige Rollen in physiologischen Funktionen wie Zellvolumenregulation, Apoptose und der Immunabwehr. Obwohl die physiologische Funktion von Ionenkanälen maßgeblich von ihrer Ionenselektivität abhängt, zeigt diese im Fall von TMEM16-Lipidskramblasen in verschiedenen experimentellen Studien eine hohe Variabilität und konnte daher bislang nicht eindeutig definiert werden. Trotz vieler Fortschritte in der strukturellen Charakterisierung von TMEM16-Lipidskramblasen, sind die molekularen Mechanismen der Ionenleitung und Ionenselektivität bislang unverstanden. In dieser Arbeit verwendeten wir Molekulardynamik(MD)-Simulationen um die Ionenkanalfunktion von TMEM16-Lipidskramblasen in atomarer Auflösung aufzuklären und eine Verknüpfung zwischen den Proteinstrukturen und makroskopischen/funktionellen Daten herzustellen. Mit Hilfe des kürzlich entwickelten Computational Electrophysiology-Verfahrens zur Simulation elektrochemischer Potentialgradienten, vergleichbar mit Patch-Clamp-Experimenten, untersuchten wir die Ionenleitung durch nhTMEM16, einem Homolog aus dem Reich der Pilze, sowie die humane TMEM16K-Isoform in verschiedenen Lipidmembranen. Mit Hilfe dieser Simulationen konnten wir den hauptsächlichen ionenleitenden Zustand der TMEM16-Lipidskramblasen definieren, in welchem Ionen durch eine dynamische, von Aminosäuren und Lipidkopfgruppen begrenzte, Pore permeieren. Auf Grund dieser komplexen Porenarchitektur, können Lipidkopfgruppen direkt mit permierenden Ionen interagieren und die Energetik der Ionenpermeation regulieren. Interessanterweise hängt die Orientierung der Lipidkopfguppen in der Pore, auf Grund ihres intrinsische Dipolmomentes, von der Richtung der Transmembranspannung ab, woraus sich eine spannungsabhängige Regulation der Ionenpermeation ergibt. Des Weiteren zeigen unsere Simulationen, dass Lipide, welche die Engstelle der Pore begrenzen, auch ihre Permeabilität direkt regulieren. Während die genaue Anordnung und Ladung der Aminosäuren in der TMEM16-Pore die basale Ionenselektivität bestimmen, wird die Selektivität zusätzlich durch die Lipidzusammensetzung der Membran über elektrostatische Einflüsse auf die Pore reguliert. Die Entwicklung des Programms $g\elpot$ zur Berechnung elektrostatischer Potential aus MD-Trajektorien, ermöglichte uns eine genaue Charakterisierung dieser, durch Membranlipide vermittelten, Potentialänderungen in der Pore. Zusammenfassend hat unsere Arbeit die strukturellen Grundlagen der Ionenleitung und Ionenselektivität von TMEM16-Lipidskramblasen und neue regulatorische Effekte der Membranlipide auf die Leitungseigenschaften dieser bifunktionellen Proteine aufgeklärt.

Lipid scramblases of the TMEM16 family are Ca$^{2+}$ -activated membrane proteins that provide a pathway for bidirectional transport of lipids between the membrane leaflets. Many TMEM16 lipid scramblases also function as ion channels with implications in various physiological processes, including apoptosis, immune response, and cell volume regulation. Although physiological functions of ion channels heavily rely on their ion selectivity, that of TMEM16 lipid scramblases remains elusive, demonstrating a notable variation among the experimental studies. Despite recent progress in structural characterization of TMEM16 lipid scramblases, the molecular mechanisms of their ion conduction and ion selectivity remain poorly understood. Here, we used atomistic molecular dynamics (MD) simulations, as a means for bridging static structural and macroscopic functional data, to unravel atomic-level details of ion channel functionality of TMEM16 lipid scramblases. We utilized the recently developed computational electrophysiology algorithm, which mimics functionality of patch-clamp experimental setup, to study ion conduction properties of fungal nhTMEM16 and human TMEM16K in various lipid membranes. We found that in the main ion conductive state TMEM16 lipid scramblases conduct ions through a structured but yet dynamic proteolipidic pore, which is partly formed by lipid headgroups. Lining the ion permeation pathway, lipid headgroups directly interact with permeating ions and shape the energetics of the ion permeation process. Notably, due to the dipole moment associated with lipid headgroups, their effect on the ion energetics depends on polarity of the applied voltage, making the headgroups a voltage-sensitive element of the pore. Moreover, our simulations demonstrated that lipid headgroups which flank the neck region of the pore can directly affect its permeability. We also found that positioning and orientation of charged residues in the pore of a TMEM16 lipid scramblase define its basic ion selectivity, which, however, can be prominently altered by membrane lipid composition via changing the pore electrostatics. We identified the regions with changed electrostatic potential by applying a new tool $g\_elpot$, which we developed for quantifying biomolecular electrostatics from MD trajectories. Concluding, in this work we defined the structural basis of ion conduction and selectivity in TMEM16 lipid scramblases and discovered the direct effects of membrane lipids on the ion-conduction properties of these dual function proteins.

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