[논문 리뷰] Nonlinear conductance, rectification and mechanosensitive channel formation of lipid membranes

Karis Amata Zecchi, Thomas Heimburg|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 07.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 64인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 순수 지질 막이 비단 단백질 채널을 모방하는 정류된 전압-전류(I-V) 특성을 보이는 전압에 의존하는 기계적 민감성 이온 채널 형성을 보여준다. 다양한 깊이(압력 기울기를 변화시켜)에서 지질 막에 대한 패치클램프 기록을 통해 저자들은 두 가지 도전도 메커니즘을 규명했다: 전압에 의존하지 않는 누출 전류와 전압에 의해 유도되는 구멍 열림 과정으로, 이는 이산적인 채널 유사 이벤트를 생성한다. 주요 발견은 지질 막 자체가 전압과 기계적 스트레스에 따라 비선형적이고 외부 정류된 I-V 행동을 보이며, 구멍 형성이 가능하다는 점으로, 이는 생물학적 막에서 지질 채널이 단백질 채널 기능을 뒷받침하거나 병행할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

There is mounting evidence that lipid bilayers display conductive properties. However, when interpreting the electrical response of biological membranes to voltage changes, they are commonly considered as inert insulators. However, lipid bilayers under voltage-clamp conditions do not only display current traces with discrete conduction-steps indistinguishable from those attributed to the presence of protein channels. In current-voltage (I-V) plots they may also display outward rectification, i.e., voltage-gating. Surprisingly, this has even been observed in chemically symmetric lipid bilayers. Here, we investigate this phenomenon using a theoretical framework that models the electrostrictive effect of voltage on lipid membranes in the presence of a spontaneous polarization, which can be recognized by a voltage offset in electrical measurements. It can arise from an asymmetry of the membrane, for example from a nonzero spontaneous curvature of the membrane. This curvature can be caused by voltage via the flexoelectric effect, or by hydrostatic pressure differences across the membrane. Here, we describe I-V relations for lipid membranes formed at the tip of patch pipettes situated close to an aqueous surface. We measured at different depths relative to air/water surface, resulting in different pressure gradients across the membrane. Both linear and nonlinear I-V profiles were observed. Nonlinear conduction consistently takes the form of outward rectified currents. We explain the conductance properties by two mechanisms: One leak current with constant conductance without pores, and a second process that is due to voltage-gated pore opening correlating with the appearance of channel-like conduction steps. In some instances, these nonlinear I-V relations display a voltage regime in which dI/dV is negative. This has also been previously observed in the presence of sodium channels. ...

연구 동기 및 목표

• 단백질이 없는 순수 지질 막에서 비선형 도전도와 정류의 기원을 조사하기 위해.
• 지질 막이 단백질 채널과 독립적으로 전압에 의존하고 기계적으로 민감한 이온 채널을 형성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 지질 이중층 내의 열역학적 변동과 전기적 압축 효과가 채널 유사 도전 이벤트를 유도할 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• 지질 막의 I-V 행동을 전압에 의존하는 칼륨 채널과 비교하여, 개방 확률과 도전도 동역학 측면에서 분석하기 위해.

제안 방법

• 패치 피이프의 끝부분에 형성된 지질 막에 대한 패치클램프 기록.
• 관내 깊이를 체계적으로 변화시켜 막을 관통하는 압력 기울기를 조절하고, 그 영향을 I-V 프로파일에 미치는 영향을 연구하기 위해.
• 전류 트레이스 분석을 위해 이중 지수 함수 피팅을 사용하여 빠른(용량성) 및 느린(구조적) 회복 과정을 식별하기 위해.
• 전기적 압축 효과와 자발적 분극을 포함한 이론적 모델링을 통해 지질 막의 굽힘 전기 효과 및 전압 오프셋 효과를 분석하기 위해.
• 대칭성과 정류 차이를 평가하기 위해 패치 실험 결과를 블랙 지질 막(BLM) 실험과 비교하기 위해.
• 지질 막의 개방 확률 곡선을 히든-후크리의 히든-후크리 및 KvAP 칼륨 채널의 곡선과 정량적으로 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 지질 막이 단백질 또는 고분자 성분 없이도 전압에 의존하고 정류된 I-V 행동를 나타낼 수 있는가?
• RQ2 막을 관통하는 압력 기울기가 지질 막의 구멍 형성과 도전도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 지질 막의 도전도 동역학과 전압 의존성은 전압에 의존하는 칼륨 채널과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 I-V 프로파일을 뒷받침하는 두 가지 별개의 도전도 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 비선형 I-V 행동, 특히 부정적 미분 도전도(dI/dV < 0)는 열역학적으로 일관된 막의 변동성과 전압 게이팅 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 패치 피이프의 끝부분에 형성된 지질 막에서 항상 외부 정류된 I-V 프로파일이 관찰되어 전압에 의존하는 구멍 열림을 시사한다.
• 부정적 미분 도전도(dI/dV < 0)를 포함한 비선형 I-V 행동이 관찰되었으며, 이는 나트륨 채널에서도 관찰되는 특징이다.
• 도전도 메커니즘은 두 성분으로 구성되어 있다: 전압에 의존하지 않는 누출 전류와 전압에 의해 유도되는 구멍 형성 과정으로, 이는 이산적인 채널 유사 이벤트를 생성한다.
• 구멍 형성은 전압에 의존하고 기계적으로 민감한 것으로 밝혀졌으며, 깊이에 따른 I-V 프로파일과 구멍 발생의 변화로 이를 입증하였다.
• 지질 막의 구멍 개방 확률은 히든-후크리 칼륨 채널과 KvAP 채널과 유사하게, 특히 활성화의 전압 의존성 측면에서 유사성을 보였다.
• 블랙 지질 막(BLMs)은 정류 없이 대칭적인 I-V 곡선을 보였고, 패치 클램프된 지질 막에서 관찰된 비대칭적이고 정류된 행동와 대조를 이뤘다.