Allosteric Block of KCa2 Channels by Apamin

Abstract

Activation of small conductance calcium-activated potassium (K Ca 2) channels can regulate neuronal firing and synaptic plasticity. They are characterized by their high sensitivity to the bee venom toxin apamin, but the mechanism of block is not understood. For example, apamin binds to both K Ca 2.2 and K Ca 2.3 with the same high affinity (K D ϳ 5 pM for both subtypes) but requires significantly higher concentrations to block functional current (IC 50 values of ϳ100 pM and ϳ5 nM, respectively). This suggests that steps beyond binding are needed for channel block to occur. We have combined patch clamp and binding experiments on cell lines with molecular modeling and mutagenesis to gain more insight into the mechanism of action of the toxin. An outer pore histidine residue common to both subtypes was found to be critical for both binding and block by the toxin but not for block by tetraethylammonium (TEA) ions. These data indicated that apamin blocks K Ca 2 channels by binding to a site distinct from that used by TEA, supported by a finding that the onset of block by apamin was not affected by the presence of TEA. Structural modeling of ligand-channel interaction indicated that TEA binds deep within the channel pore, which contrasted with apamin being modeled to interact with the channel outer pore by utilizing the outer pore histidine residue. This multidisciplinary approach suggested that apamin does not behave as a classical pore blocker but blocks using an allosteric mechanism that is consistent with observed differences between binding affinity and potency of block.K Ca 2 channels (formerly known as SK channels) are characterized by their sensitivity to the highly specific toxin apamin (1). This 18-amino acid peptide, which has been isolated from the honeybee (Apis mellifera) venom (2), contains two disulfide bridges that provide a fairly rigid tertiary conformation (3), with two arginine residues (Arg-13 and Arg-14) being critical for its biological activity (4). The cloning of K Ca 2 channel subunits has revealed the existence of three subtypes (K Ca 2.1-K Ca 2.3, formerly SK1-SK3) (5) that bind apamin with very high affinity (K D ϳ 5-10 pM) (see Ref. 6 for a review). However, apamin is less potent at blocking K Ca 2 current and displays differential block of channel subtypes. For example, K Ca 2.2 (all species) displays the highest sensitivity, with IC 50 values from 27 to 140 pM. Rat, human, and mouse K Ca 2.3-mediated currents show an intermediate sensitivity, with IC 50 values ranging from 0.63 to 19 nM. Finally, human K Ca 2.1 is the least sensitive, with reported IC 50 values ranging between 0.7 and 100 nM (6). These differences between binding and electrophysiological results suggest that the mechanism of block by apamin is complex and that binding and block by the toxin are not identical phenomena.K Ca 2 channel subtypes are expressed throughout the CNS and periphery, displaying partially overlapping but distinct locations. This has led to the proposal that block of K Ca 2 channels may be a novel t...

Physiologie, pharmacologie et modélisation de canaux potassiques

“…D'un point de vue pharmacologique, les canaux K + disposent d'un nombre important de modulateurs capables de modifier leur fonction de manière très variée [17]. En effet, certains agissent en amont de la protéine en altérant le processus d'activation des canaux (par exemple : l'hanatoxine [18]), alors que d'autres produiront leur effet dans la région du pore par simple occlusion (par exemple : le tétraé-thylammonium [19] et la charybdotoxine [20]) ou par un mécanisme allostérique (par exemple : l'apamine [21]). …”

“…• Tout d'abord, pratiquement tous les bloqueurs SK puissants sont porteurs d'au moins une charge [21,49]. Cette approche multidisciplinaire a notamment démontré que l'apamine ne se comportait pas comme un bloqueur de pore classique tel le TEA (tétraéthylammonium), mais bloquait les courants SK via un mécanisme allostérique [17,21].…”

“…Cette approche multidisciplinaire a notamment démontré que l'apamine ne se comportait pas comme un bloqueur de pore classique tel le TEA (tétraéthylammonium), mais bloquait les courants SK via un mécanisme allostérique [17,21]. La pré-sence d'un résidu histidine conservé dans les trois sous-types et localisé dans la tourelle en position 490 (numérotation hSK3) s'est avérée essentielle pour le blocage des canaux par la toxine [21,49].…”

“…Cette approche multidisciplinaire a notamment démontré que l'apamine ne se comportait pas comme un bloqueur de pore classique tel le TEA (tétraéthylammonium), mais bloquait les courants SK via un mécanisme allostérique [17,21]. La pré-sence d'un résidu histidine conservé dans les trois sous-types et localisé dans la tourelle en position 490 (numérotation hSK3) s'est avérée essentielle pour le blocage des canaux par la toxine [21,49]. D'autres études complémentaires ont récemment montré que des résidus éloignés de la région du pore étaient également impliqués dans le blocage du courant par l'apamine [31,50], renforçant l'idée d'une action allostérique.…”

“…Il existe vraisemblablement une étape distincte entre la liaison et le blocage, une étape sans doute plus difficile à franchir quand l'apamine se fixe sur le canal SK3. Le résidu histidine 490 influence également l'action de la NML, montrant ainsi que ce bloqueur non peptidique partage une partie du site de liaison de l'apamine et agit aussi selon un mécanisme allostérique [17,21,49]. Du point de vue de la séquence en acides aminés, les canaux SK2 et SK3 ne diffèrent que par deux acides aminés dans la région du pore (les positions sont définies selon la numérotation hSK3) : en position 485 (alanine et valine, respectivement) en amont du filtre de sélectivité et en position 521 (asparagine et histidine, respectivement) en aval du filtre (Figure 2).…”