Étude numérique de la formation du complexe protéique formé du canal potassique humain Kv4.2 et de sa sous-unité bêta DPP6.2

Abstract

L'homéostasie de tout organisme vivant résulte de l'activité concertée d'une nombre inimaginable d'acteurs biochimiques. Parmi ceux-ci, les protéines jouent un rôle fondamental de par leurs fonctions aussi diverses que cruciales, autant à un niveau structurel, enzymatique que d'un point de vue de transportation et de signalisation. Par exemple, les canaux potassiques voltage-dépendants (Kv) forment une famille de protéines transmembranaires responsables du transport des ions potassium à travers la membrane cellulaire des cellules excitables. Les courants électriques résultants de leur activité constituent une composante essentielle d'une variété de processus physiologiques de grande importance. Le potentiel d'action en est un exemple omniprésent chez tous les animaux pour le relais d'informations entre le système nerveux et autres systèmes comme les muscles, les glandes, autres organes, ou encore lui-même. Cette étude s'intéresse à l'origine moléculaire de deux autres exemples de courants potassiques, référés par I_{to,f} et I_SA, qui joue un rôle régulateur similaire dans les cellules cardiaques et neuronales, respectivement. Or, bien qu'on ait déjà identifié l'isoforme Kv4 comme étant à l'origine du pore conducteur de ces courants, les cinétiques de Kv4 sont trop lentes pour rendre compte de leur forme précise de façon isolée. En effet, ces courants sont la manifestation de complexes protéine-protéine impliquant deux sous-unités auxiliaires modulant les propriétés biophysiques de Kv4, soit KChIP (Kv Channel Interacting Proteins) et DPP (dipepdyl-aminopeptidase like proteins). Plusieurs propriétés de Kv4 sont affectées par ces interactions, comme par exemples l'accélération des cinétiques d'activation et d'inactivation de Kv4 par DPP -- un effet crucial pour la régulation que I_SA et I_{to,f} exercent sur les autres courants des neurones et myocytes qui les expriment. Certains détails moléculaires importants à la base de cette interaction ont été identifiés, principalement pour les parties cytosoliques, mais très peu reste connu sur les interactions principales, au niveau des parties transmembranaires. Cette étude vise à combler ce vide en précisant le mode d'action de DPP6 sur Kv4.2 avec l'aide de la dynamique moléculaire.

Dans un premier temps, étant donné que seules quelques sous-structures ont été cristallisées pour les deux protéines, on devra construire des modèles pour la structure des protéines complètes. Ensuite, on utilisera une combinaison d'algorithmes d'amarrage moléculaire, complémentés de dynamique moléculaire, pour préciser leur mode d'interaction. Ce raffinement de notre compréhension passera par différentes méthodes d'analyses pour identifier le modèle d'interaction le plus probable. D'abord, on comparera la stabilité structurelle et la force d'interaction pour identifier la pose préférentielle. Cette étape permet autant de comparer notre modèle à la littérature et de formuler des hypothèses supplémentaires pour orienter les recherches en laboratoire future. Ensuite, on regardera l'effet de la liaison de la sous-unité auxiliaire sur les sous-structures de Kv4 dans l'espoir d'y trouver un indice de comment DPP6.2 perturbe le mécanisme d'ouverture et de fermeture du canal « normal ». On a ainsi pu corroborer une hypothèse, formulée par Jerng et Pfaffinger (2014), selon laquelle le pore serait contraint par l'interaction. On a également prédit que le domaine sensible au voltage était moins stable, et on suggère que cela pourrait être la base de l'activation plus rapide de Kv4.2 en présence de DPP6.2. De plus, le site d'interaction identifié par les algorithmes d'amarrage était consistent avec des données préliminaires dans la littérature (Ren et al., 2003). Quant à l'extrémité N-terminale, la seule région d'interaction (réaliste) prédite était hautement consistant avec les études fonctionnelles en laboratoire, puis on a prédit quelques autres interactions. On a également montré que les premiers acides N-terminaux sont flexibles et peuvent interagir avec le pore et son mécanisme, tel que suggéré par le modèle prévalent de type « balle et chaîne » qui s'applique aussi pour Kv4.2.

The homeostasis of all living organism results from the concerted action of a unfanthomable number of biochemical actors. Among them, proteins play a fundamental role by range of functions as diverse as crucial that they fulfill, whether it is on a structural or enzymatic level, or on a transportation and signaling one. For instance, voltage-dependent potassium channels (Kv) form a family of transmembrane proteins responsible for the transportation of potassium ions across the membrane of excitable cells. The electric currants resulting from their activity constitute an essential component of a wide variety of vital physiological processes. The action potential is such an example, omnipresent in all vertebrates to relay information between the nervous and other systems, such as the muscles, glands, organs, or the nervous system itself. The present study looks at the molecular origin of two other potassium currents, referred by I_{to,f} et I_SA, that play a similar regulatory role for cardiac and neuronal cells, respectively. While it has been clearly established that the isoforme Kv4 is the molecular basis for the conducting pore of these currents, the kinetics of this Kv channel are too slow to reproduce the currents on its own. Indeed, these currents are the manifestation of a larger protein-protein complex that imply two auxiliary subunits that modulate Kv4's biophysical propreties, namely KChIP (Kv Channel Interacting Proteins) and DPP (dipepdyl-aminopeptidase like proteins). Many of Kv4's properties are affected by these interactions, like the acceleration Kv4's gating and inactivation kinetics by DPP -- a crucial effect for the regulation I_SA et I_{to,f} exert on other neuronal or cardiac currents. A handful of molecular details about this interaction are known, especially for the cytosolic part, but very little is known about the main interaction, at the level of the transmembrane domains. This study aims at filling this void by precising the mode of action of DPP6.2 on Kv4.2 with the help of molecular dynamics.

Initially, since only partial crystal structure data is available for both proteins, predictive models for the structure of the models will have to be constructed. Then, a combination of docking algorithms, complemented with molecular dynamics, will help refine the mode of interaction. The most probable model will be identified by comparing the structural stability and the strenght of the affinity of the different complexes proposed by docking algorithms. The preferential pose thereby predicted will allow to compare with the litterature and to formulate further hypotheses to test the models. Then, we will look at the effect of the binding of auxiliary subunits of Kv4's substructures to gain insight into how DPP6.2 disturb the normal gating process. We could corroborate an hypothesis, formulated by Jerng et Pfaffinger (2014), according to which the pore would be constrained by the interaction. We also predicted that the voltage sensing domain was less stable, and we suggest that this could be the basis of the faster activation of Kv4.2 in presence of DPP6.2. Moreover, the region of interaction identified by docking algorithms are consistant with preliminary data (Ren et al., 2003). As for the N-terminal part of the interaction, the only (realist) region of interaction predicted was highly consistant with functionnal studies available, and we predicted a few other interactions. We also showed that the first N-terminal residues form a flexible chain, readily available to interact with the pore and its mecanism, as suggested by the prevalent model of the ball and chain that applies for Kv4.2.