Caractérisation structurale et dynamique d’un canal à potassium (Kir) fonctionnel et dysfonctionnel – KirFlex

Les cellules utilisent la régulation allostérique comme mécanisme fondamental pour contrôler des processus critiques au niveau moléculaire. Les approches in silico de simulation moléculaire permettent des analyses détaillées et comparatives de la régulation allostérique, surtout lorsqu'elles sont associées à des données de cryo-EM et de méthodes biophysiques telles que le FRET à molécule unique (single molecule FRET, smFRET). Les canaux K+ à rectification entrante (Kir) contrôlent la perméation des K+ dans divers tissus, leur présence est ubiquitaire chez l’humain. Ce sont d’importants régulateurs de la signalisation électrique dans le cerveau, les muscles, le système cardiovasculaire. Ce sont également d’importants régulateurs dans les fonctions rénales. L’ouverture du canal est régulée par des modulateurs comme PIP2, des lipides anioniques, des microARN (miR1). Les mutations sur Kir2.1 causent de nombreuses pathologies comme le syndrome d’Andersen (AS). L'objectif est d’élucider le réarrangement dynamique des canaux Kir et des voies de régulation allostériques qui interviennent lors de l’ouverture du canal. Nous étudierons l’effet des régulateurs tels que le PIP2, les lipides anioniques et le miR1 ainsi que l’impact de deux mutants médicalement importants et potentiellement allostérique : R312H, un mutant perte de fonction et M301K, un mutant gain de fonction. Malgré les connaissances biochimiques détaillées des canaux Kir, le mécanisme par lequel les canaux Kir sont régulés reste vague. Comment les mutations rendent le canal dysfonctionnel reste également inconnu.
Ce projet combine des approches expérimentales et théoriques innovantes qui intègre de la biologie structurale (cryo--EM) et biophysique de pointe (smFRET afin d'étudier la dynamique du canal) et de la résonance plasmonique de surface (SPR). Pour accéder aux nombreux états de transition, (difficile expérimentalement) nous utiliserons des méthodes in silico, notamment une méthode computationnelle (MDeNM) récemment développée par le partenaire 2.
A l'issue de ce projet, les structures à haute résolution du Kir2.1 WT humain et des mutants apo- et en complexe avec des modulateurs tels que PIP2, des lipides anioniques et le miR1 seront révélées. Les voies de régulation allostériques impliquées dans l’ouverture du canal et la compréhension de l'impact des mutations pathogènes sur la structure, la dynamique et la fonction des canaux Kir seront dévoilées. Ce travail pourra être fondateur pour la mise en place de nouvelles stratégies thérapeutiques et en particulier le développement d’une classe innovante de médicaments à base d’ARN afin de traiter les pathologies musculaires, cardiaques et osseuses associés aux canalopathies dont le syndrome d’Andersen.
Les axes e travail de KirFlex sont :
i) Déterminer les structures à haute résolution du Kir2.1 WT humain et des mutants en complexe ou non avec PIP2, des phospholipides anioniques et un miR1 spécifique.
ii) Étudier la fonction et la dynamique de ces canaux (WT et mutants) en utilisant smFRET et SPR.
iii) Utiliser des méthodes informatiques pour interpréter et intégrer les résultats expérimentaux afin de déchiffrer les voies de régulation allostériques impliquées dans l’ouverture du canal et comprendre le mécanisme moléculaire du dysfonctionnement des mutants.
Le consortium est transdisciplinaire et rassemble deux équipes complémentaires avec une expertise reconnue dans le domaine de la structure et fonction des canaux ioniques (Vénien-Bryan C, IMPMC- Sorbonne Université Paris partenaire 1), et dans l'intégration d'expériences et de méthodes informatiques pour étudier la dynamique macromoléculaire (Pasi M, ENS Paris-Saclay, partenaire 2). Le projet est ambitieux mais reste réaliste, compte tenu de l'expertise des partenaires et des résultats préliminaires déjà disponibles.