Comment s’ouvrent et se ferment les canaux à potassium Kir

La régulation du passage des ions potassium (K+) à travers les membranes des cellules est l’un des mécanismes essentiels de processus biologiques tels que les battements du cœur, la propagation d’un signal neuromusculaire, ou encore la pensée. Cette régulation repose notamment sur l’ouverture et la fermeture de canaux ioniques. Si l’on connait la géométrie de ces canaux lorsqu’ils sont fermés, ce n’est le cas ni de leur configuration ouverte, ni de leur mode d’ouverture. Une collaboration franco-britannique de chercheurs a piégé la structure d’un canal à potassium KirBac à l’état ouvert, ce qui leur a permis de calculer la structure de ce canal dans cette conformation par cristallographie des rayons X. La comparaison de cette structure avec celle du même canal à l’état fermé a permis de proposer un mécanisme dynamique d’ouverture du pore qui se distingue des modèles proposés jusqu’à présent. Ces travaux font l’objet d’une publication dans la revue Nature structural and molecular biology.

Les canaux à potassium à rectification entrante (Kir) contrôlent le potentiel de repos des membranes biologiques, c’est-à-dire la différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, qui est de l’ordre de -70 millivolts. Ces canaux sont des sortes de nano-valves qui contrôlent le mouvement sélectif des ions potassium à travers la membrane de la cellule. Lorsque ces canaux se dérèglent - soit en s’ouvrant ou en se fermant à contretemps, soit en engendrant des fuites de l’ion potassium -, la détérioration du potentiel de reps est à l’origine de pathologies graves. Un grand nombre de maladies génétiques sont ainsi le résultat du fonctionnement défectueux de ces canaux ioniques.

Pour mener à bien l’étude de l’état ouvert de ce canal, les chercheurs ont produit cette protéine KirBac dans un état ouvert, en utilisant une protéine mutée au niveau d’un acide aminé particulier permettant de stabiliser et de piéger la protéine dans un état ouvert. Ils ont cristallisé cette molécule et ont ainsi pu mettre en œuvre les méthodes d’analyse structurale par diffraction de rayons X. Ils ont mis en évidence pour la première fois l’ouverture du canal au niveau des acides aminés hydrophobe et visualisé en détail l’écartement au niveau du croisement des hélices à la base du pore. L’état ouvert décrit dans ce travail pourrait représenter un état ouvert intermédiaire, et il est fort probable que ce pore subisse des changements de conformation encore plus amples. Les chercheurs explorent cette hypothèse par cryo cristallographie électronique à partir de cristaux 2D et cherchent parallèlement à élucider le mécanisme qui permet la transmission du signal des domaines cytoplasmiques vers le pore.

L’hélice interne TM2, se plie et subit un mouvement de rotation - bleu : état fermé ; rouge : état ouvert.

Canal à potassium KirBac3.1 état fermé à gauche, état ouvert à droite