Summary Ultrasound modulates the electrical activity of excitable cells and offers advantages over other neuromodulatory techniques; for example, it can be non-invasively transmitted through skull and focused to deep brain regions. However, the fundamental cellular, molecular, and mechanistic bases of ultrasonic neuromodulation are largely unknown. Here, we demonstrate ultrasound activation of the mechanosensitive K + channel TRAAK with sub-millisecond kinetics to an extent comparable to canonical mechanical activation. Single channel recordings reveal a common basis for ultrasonic and mechanical activation with stimulus-graded destabilization of long-duration closures and promotion of full conductance openings. Ultrasonic energy is transduced to TRAAK directly through the membrane in the absence of other cellular components, likely increasing membrane tension to promote channel opening. We further demonstrate ultrasonic modulation of neuronally expressed TRAAK. These results suggest mechanosensitive channels underlie physiological responses to ultrasound and provides a framework for developing channel-based sonogentic actuators for acoustic neuromodulation of genetically targeted cells.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the virus that causes the coronavirus disease 2019 (COVID-19). SARS-CoV-2 encodes three putative ion channels: E, 8a, and 3a 1,2 . 3a is expressed in SARS patient tissue and anti-3a antibodies are observed in patient plasma 3–6 . 3a has been implicated in viral release 7 , inhibition of autophagy 8 , inflammasome activation 9 , and cell death 10,11 and its deletion reduces viral titer and morbidity in mice 1 , raising the possibility that 3a could be an effective vaccine or therapeutic target 3,12 . Here, we present the first cryo-EM structures of SARS-CoV-2 3a to 2.1 Å resolution and demonstrate 3a forms an ion channel in reconstituted liposomes. The structures in lipid nanodiscs reveal 3a dimers and tetramers adopt a novel fold with a large polar cavity that spans halfway across the membrane and is accessible to the cytosol and the surrounding bilayer through separate water- and lipid-filled openings. Electrophysiology and fluorescent ion imaging experiments show 3a forms Ca 2+ -permeable non-selective cation channels. We identify point mutations that alter ion permeability and discover polycationic inhibitors of 3a channel activity. We find 3a-like proteins in multiple Alphacoronavirus and Betacoronavirus lineages that infect bats and humans. These data show 3a forms a functional ion channel that may promote COVID-19 pathogenesis and suggest targeting 3a could broadly treat coronavirus diseases.

TRAAK is a mechanosensitive two-pore domain K + (K2P) channel found in nodes of Ranvier within myelinated axons. It displays low leak activity at rest and is activated up to one hundred-fold by increased membrane tension. Structural and functional studies have led to physical models for channel gating and mechanosensitivity, but no quantitative analysis of channel activation by tension has been reported. Here, we use simultaneous patch-clamp recording and fluorescent imaging to determine the tension response characteristics of TRAAK. TRAAK shows high sensitivity and a broad response to tension spanning nearly the entire physiologically relevant tension range. This graded response profile distinguishes TRAAK from similarly low-threshold mechanosensitive channels Piezo1 and MscS, which activate in a step-like fashion over a narrow tension range. We further use patch imaging to show that ultrasonic activation of TRAAK and MscS is due to increased membrane tension. Together, these results provide mechanistic insight into TRAAK tension gating, a framework for exploring the role of mechanosensitive K + channels at nodes of Ranvier, and biophysical context for developing ultrasound as a mechanical stimulation technique for neuromodulation.

Summary TRAAK is a mechanosensitive two-pore domain K + (K2P) channel localized to nodes of Ranvier in myelinated neurons. TRAAK deletion in mice results in mechanical and thermal allodynia and gain-of-function mutations cause the human neurodevelopmental disorder FHEIG. TRAAK displays basal and stimulus-gated activities typical of K2Ps, but the mechanistic and structural differences between these modes are unknown. Here, we demonstrate that basal and mechanically-gated openings are distinguished by their conductance, kinetics, and structure. Basal openings are low conductance, short duration, and occur through a channel with an interior cavity exposed to the surrounding membrane. Mechanically-gated openings are high conductance, long duration, and occur through a channel that is sealed to the surrounding membrane. Our results explain how dual modes of activity are produced by a single ion channel and provide a basis for the development of state-selective pharmacology with the potential to treat disease.