[논문 리뷰] Quantized Dehydration and the Determinants of Selectivity in the NaChBac Bacterial Sodium Channel

O. A. Fedorenko, Igor Khaimovich Kaufman외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

Ion channel regulation and function참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 박테리아 나트륨 채널 NaChBac에서 이온 선택성을 설명하기 위해 양자화 탈수를 고려한 이온 쿨롱 차폐(ICB/QD) 모델을 제안한다. 사이트 지향적 돌연변이, 전체세포 패치클램프 기록, 이론적 모델링을 통합하여, 선택성 필터에서의 효과적 고정 전하 $Q_{f}^{*}$가 감소하는 것은 프로톤화로 인한 것으로 밝혀졌으며, 이는 선택성 이동을 결정하고 생물학적 이온 채널에서 ICB 진동을 처음으로 관찰하게 되었다.

ABSTRACT

A discrete electrostatic/diffusion model has been developed to describe the selective permeation of ion channels, based on ionic Coulomb blockade (ICB) and quantised dehydration (QD). It has been applied to describe selectivity phenomena measured in the bacterial NaChBac sodium channel and some of its mutants. Site-directed mutagenesis and the whole-cell patch-clamp technique were used to investigate how the value $Q_f$ of the fixed charge at the selectivity filter (SF) affected both valence and alike-charge selectivity. The new ICB/QD model predicts that increasing ${Q_f}$ should lead to a shift of selectivity sequences towards larger ion sizes and charges, a result that agrees with the present experiments and with earlier work. Comparison of the model with experimental data provides evidence for an {\it effective charge} $Q_f^*$ at the SF that is smaller in magnitude than the nominal $Q_f$ corresponding to the charge on the isolated protein residues. Furthermore, $Q_f^*$ was different for aspartate and glutamate charged rings and also depended on their position within the SF. It is suggested that protonation of the residues within the restricted space is an important factor in significantly reducing the effective charge of the EEEE ring. Values of $Q_f^*$ derived from experiments on the anomalous mole fraction effect (AMFE) agree well with expectations based on the ICB/QD model and have led to the first clear demonstration of the expected ICB oscillations in Ca$^{2+}$ conduction as a function of the fixed charge. Pilot studies of the dependence of Ca$^{2+}$ conduction on pH are consistent with the predictions of the model.

연구 동기 및 목표

• 박테리아 NaChBac 채널에서 이온 선택성의 물리적 기원을 밝히며, 특히 선택성 필터에서 명목상과 功能적 고정 전하 간의 괴리 문제를 해결한다.
• 고정 전하($Q_f$)와 잔기 종류(아미노산: Asp 대 Glu)를 변화시키는 돌연변이가 화성 및 같은 전하 선택성에 미치는 영향을 조사한다.
• 양자화 탈수를 고려한 이온 쿨롱 차폐(ICB/QD) 모델의 예측을 Na⁺/Ca²⁺ 전도도와 비정상적 몰 분율 효과(AMFE)에 대한 실험 데이터와 대조하여 검증한다.
• 명목상 $Q_f$보다 효과적 전하 $Q_f^*$—프로톤화와 전기적 스크리닝를 고려한 것—이 실험적 Eisenman 순서와 Ca²⁺ 차단 임계값을 더 잘 설명하는지 규명한다.

제안 방법

• 위치 191과 192에서 고정 전하($Q_f^{nm}$)를 체계적으로 변화시킨 NaChBac 돌연변이를 위해 사이트 지향적 돌연변이를 적용하였다(예: E191D, S192K, S192E).
• 전체세포 패치클램프 전기생리학을 사용하여 돌연변이체에서 Na⁺/Ca²⁺ 전도도와 다가이온 차단 임계값을 측정하였다.
• ICB/QD 모델을 개발하고 적용하여, 이온 이동과 선택성을 $Q_f^*$의 기능으로 예측하였다.
• AMFE 데이터에서 효과적 전하 $Q_f^*$를 계산하고 모델 예측과 비교하여 ICB/QD 프레임워크의 타당성을 검증하였다.
• pH 의존성 실험을 실시하여, 특히 D- 및 E-링 돌연변이에서 $Q_f^*$에 대한 프로톤화 영향을 탐구하였다.
• 실험 결과를 ICB 전도도 대 $Q_f^*$ 곡선에 매핑하여 차단점 및 공명 전도점($Z_1$, $M1$, $Z_2$ 등)을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NaChBac 선택성 필터에서 효과적 고정 전하 $Q_f^*$는 명목상 $Q_f$와 어떻게 다를까? 이 감소는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 ICB/QD 모델이 예측하는 바와 같이, $Q_f^*$를 증가시키면 Eisenman 선택성 순서가 더 큰 이온 반지름과 높은 화성으로 이동하는가?
• RQ3 동일한 명목상 $Q_f$(-4 또는 -8)를 가진 돌연변이체(예: E191D 대 S192E)가 서로 다른 통과 프로파일을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 ICB/QD 모델은 NaChBac 돌연변이체에서 비정상적 몰 분율 효과(AMFE)와 다가이온 차단 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 생물학적 이온 채널에서 이온 쿨롱 차폐(ICB) 진동에 대한 실험적 증거가 있으며, 이는 $Q_f^*$와 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 선택성 필터에서 효과적 고정 전하 $Q_f^*$는 명목상 $Q_f$보다 훨씬 작으며, 강한 전기적 스크리닝 또는 프로톤화 효과를 시사한다.
• 동일한 명목상 $Q_f$를 가졌지만 잔기 종류가 다른 돌연변이체(예: E191D 대 S192E)는 서로 다른 $Q_f^*$ 값을 보이며, 아스파르트산 링은 글루타르산 링보다 낮은 효과적 전하를 나타낸다.
• ICB/QD 모델은 $Q_f^*$를 증가시킬수록 Eisenman 선택성 순서가 더 큰 이온 반지름과 높은 화성으로 이동하는 것을 성공적으로 예측하였으며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• LDEWAS 돌연변이체는 명백한 $Z_2 \to -4e$ Ca²⁺ 쿨롱 차단점과 함께 나타났고, LEDWAS 돌연변이체는 공명 전도점 $M1 \to -3e$ 를 보였다. 이는 생물학적 이온 채널에서 ICB 진동을 처음으로 실험적으로 관찰한 결과이다.
• LESWAS 돌연변이체는 $Z_1 \to -2e$ 차단점을 보였고 pH에 민감하지 않았으며, ICB 맵상 Ca²⁺ 정지대에 위치한 것으로 일치한다.
• LDSWAS 돌연변이체는 pH에 따라 Ca²⁺ 전류가 감소하는 경향을 보였고, 이는 ICB 모델의 예측와 부합하지 않아 프로톤화 역학 또는 구조적 변화의 추가 연구가 필요하다고 시사한다.