There is currently no effective therapy for human prion diseases. However, several polyanionic glycans, including pentosan sulfate and dextran sulfate, prolong the incubation time of scrapie in rodents, and inhibit the production of the scrapie isoform of the prion protein (PrPSc), the major component of infectious prions, in cultured neuroblastoma cells. We report here that pentosan sulfate and related compounds rapidly and dramatically reduce the amount of PrPC, the non-infectious precursor of PrPSc, present on the cell surface. This effect results primarily from the ability of these agents to stimulate endocytosis of PrPC, thereby causing a redistribution of the protein from the plasma membrane to the cell interior. Pentosan sulfate also causes a change in the ultrastructural localization of PrPC, such that a portion of the protein molecules are shifted into late endosomes and/or lysosomes. In addition, we demonstrate, using PrP-containing bacterial fusion proteins, that cultured cells express saturable and specific surface binding sites for PrP, many of which are glycosaminoglycan molecules. Our results raise the possibility that sulfated glycans inhibit prion production by altering the cellular localization of PrPC precursor, and they indicate that endogenous proteoglycans are likely to play an important role in the cellular metabolism of both PrPC and PrPSc. There is currently no effective therapy for human prion diseases. However, several polyanionic glycans, including pentosan sulfate and dextran sulfate, prolong the incubation time of scrapie in rodents, and inhibit the production of the scrapie isoform of the prion protein (PrPSc), the major component of infectious prions, in cultured neuroblastoma cells. We report here that pentosan sulfate and related compounds rapidly and dramatically reduce the amount of PrPC, the non-infectious precursor of PrPSc, present on the cell surface. This effect results primarily from the ability of these agents to stimulate endocytosis of PrPC, thereby causing a redistribution of the protein from the plasma membrane to the cell interior. Pentosan sulfate also causes a change in the ultrastructural localization of PrPC, such that a portion of the protein molecules are shifted into late endosomes and/or lysosomes. In addition, we demonstrate, using PrP-containing bacterial fusion proteins, that cultured cells express saturable and specific surface binding sites for PrP, many of which are glycosaminoglycan molecules. Our results raise the possibility that sulfated glycans inhibit prion production by altering the cellular localization of PrPC precursor, and they indicate that endogenous proteoglycans are likely to play an important role in the cellular metabolism of both PrPC and PrPSc.

Adenosine triphosphate (ATP)-sensitive potassium (KATP) channels couple cell metabolism to electrical activity. Phosphatidylinositol phosphates (PIPs) profoundly antagonized ATP inhibition of KATP channels when applied to inside-out membrane patches. It is proposed that membrane-incorporated PIPs can bind to positive charges in the cytoplasmic region of the channel's Kir6.2 subunit, stabilizing the open state of the channel and antagonizing the inhibitory effect of ATP. The tremendous effect of PIPs on ATP sensitivity suggests that in vivo alterations of membrane PIP levels will have substantial effects on KATP channel activity and hence on the gain of metabolism-excitation coupling.

Adenosine triphosphate (ATP)-sensitive potassium (KATP) channels couple the cellular metabolic state to electrical activity and are a critical link between blood glucose concentration and pancreatic insulin secretion. A mutation in the second nucleotide-binding fold (NBF2) of the sulfonylurea receptor (SUR) of an individual diagnosed with persistent hyperinsulinemic hypoglycemia of infancy generated KATP channels that could be opened by diazoxide but not in response to metabolic inhibition. The hamster SUR, containing the analogous mutation, had normal ATP sensitivity, but unlike wild-type channels, inhibition by ATP was not antagonized by adenosine diphosphate (ADP). Additional mutations in NBF2 resulted in the same phenotype, whereas an equivalent mutation in NBF1 showed normal sensitivity to MgADP. Thus, by binding to SUR NBF2 and antagonizing ATP inhibition of KATP++ channels, intracellular MgADP may regulate insulin secretion.

ATP-sensitive potassium (KATP) channels link cellular metabolism to electrical activity in nerve, muscle, and endocrine tissues. They are formed as a functional complex of two unrelated subunits—a member of the Kir inward rectifier potassium channel family, and a sulfonylurea receptor (SUR), a member of the ATP-binding cassette transporter family, which includes cystic fibrosis transmembrane conductance regulators and multidrug resistance protein, regulators of chloride channel activity. This recent discovery has brought together proteins from two very distinct superfamilies in a novel functional complex. The pancreatic KATP channel is probably formed specifically of Kir6.2 and SUR1 isoforms. The relationship between SUR1 and Kir6.2 must be determined to understand how SUR1 and Kir6.2 interact to form this unique channel. We have used mutant Kir6.2 subunits and dimeric (SUR1-Kir6.2) constructs to examine the functional stoichiometry of the KATP channel. The data indicate that the KATP channel pore is lined by four Kir6.2 subunits, and that each Kir6.2 subunit requires one SUR1 subunit to generate a functional channel in an octameric or tetradimeric structure.

ABSTRACT Vascular tone is dependent on smooth muscle K ATP channels comprising pore-forming Kir6.1 and regulatory SUR2B subunits, in which mutations cause Cantú syndrome. Unique among K ATP isoforms, they lack spontaneous activity and require Mg-nucleotides for activation. Structural mechanisms underlying these properties are unknown. Here, we determined the first cryoEM structures of vascular K ATP channels bound to inhibitory ATP and glibenclamide, which differ informatively from similarly determined pancreatic K ATP channel isoform (Kir6.2/SUR1). Unlike SUR1, SUR2B subunits adopt distinct rotational “propeller” and “quatrefoil” geometries surrounding their Kir6.1 core. The previously unseen ED-rich linker connecting the two halves of the SUR-ABC core is observed in a quatrefoil-like conformation. MD simulations reveal MgADP-dependent dynamic tripartite interactions between this linker, SUR2B and Kir6.1. The structures captured implicate a progression of intermediate states between MgADP-free inactivated and MgADP-bound activated conformations wherein the ED-rich linker participates as mobile autoinhibitory domain, suggesting a conformational pathway toward K ATP channel activation.

Pancreatic K

Abstract Regulation of pancreatic K ATP channels involves orchestrated interactions of channel subunits, Kir6.2 and SUR1, and their ligands. How ligand interactions affect channel conformations and activity is not well understood. To elucidate the structural correlates pertinent to ligand interactions and channel gating, we compared cryo-EM structures of channels in the presence and absence of pharmacological inhibitors and ATP, focusing on channel conformational dynamics. We found pharmacological inhibitors and ATP enrich a channel conformation in which the Kir6.2 cytoplasmic domain is closely associated with the transmembrane domain relative to one where the Kir6.2 cytoplasmic domain is extended away into the cytoplasm. This conformation change remodels a network of intra and inter-subunit interactions as well as both the ATP and PIP 2 binding pockets. The structures resolved key contacts between the distal N-terminus of Kir6.2 and SUR1’s ABC module involving residues implicated in channel function. A SUR1 residue, K134, is identified to directly contribute to the PIP 2 binding pocket. Molecular dynamics simulations revealed two Kir6.2 residues, K39 and R54, that mediate both ATP and PIP 2 binding, suggesting a mechanism for competitive gating by ATP and PIP 2 .

Abstract ATP-sensitive potassium (K ATP ) channels, composed of four pore-lining Kir6.2 subunits and four regulatory sulfonylurea receptor 1 (SUR1) subunits, control insulin secretion in pancreatic β-cells. K ATP channel opening is stimulated by PIP 2 and inhibited by ATP. Mutations that increase channel opening by PIP 2 reduce ATP inhibition and cause neonatal diabetes. Although considerable evidence has indicated PIP 2 in K ATP channel function, previously solved open-channel structures have lacked bound PIP 2 , and mechanisms by which PIP 2 regulates K ATP channels remain unresolved. Here, we report cryoEM structure of a K ATP channel harboring the neonatal diabetes mutation Kir6.2-Q52R, bound to PIP 2 in open conformation. The structure reveals two adjacent PIP 2 molecules between SUR1 and Kir6.2. The first PIP 2 binding site is conserved among PIP 2 -gated Kir channels. The second site forms uniquely in K ATP at the interface of Kir6.2 and SUR1. Functional studies demonstrate both binding sites determine channel activity. Kir6.2 pore opening is associated with a twist of the Kir6.2 cytoplasmic domain and a rotation of the N-terminal transmembrane domain of SUR1, which widens the inhibitory ATP binding pocket to disfavor ATP binding. The open conformation is particularly stabilized by the Kir6.2-Q52R residue through cation-π bonding with SUR1-W51. Together, these results uncover the cooperation between SUR1 and Kir6.2 in PIP 2 binding and gating, explain the antagonistic regulation of K ATP channels by PIP 2 and ATP, and provide the mechanism by which Kir6.2-Q52R stabilizes an open channel to cause neonatal diabetes.

Introduction & Objectives: Pancreatic KATP channel trafficking defects underlie congenital hyperinsulinism (CHI) cases unresponsive to the KATP opener diazoxide, the mainstay medical therapy for CHI. Current clinically used KATP channel inhibitors have been shown to act as pharmacochaperones (PCs) and restore surface expression of trafficking mutants; however, their therapeutic utility for CHI is hindered by irreversible binding, which limits the functional recovery of rescued channels. Cryo-electron microscopy (Cryo-EM) structures of KATP channels bound to inhibitors offer prospects of structure-guided drug discovery for CHI treatment. The study aims to identify KATP channel PCs with reversible inhibitory effects to enable functional recovery of rescued channels and to elucidate the reversible PC mechanism using cryo-EM. Methods: Functional and biochemical studies were used to identify a novel compound with PC effects and pancreatic KATP isoform specificity. Single-particle cryo-EM and mutagenesis studies were used to elucidate the mechanisms of the PC and inhibitory actions of this compound. Results: We identified a novel compound exhibiting robust chaperoning effects on KATP channel trafficking mutations and reversible inhibition of KATP channel function. This PC displayed pancreatic KATP channel specificity and distinct binding features compared to inhibitors with persistent effects. Conclusion: Our findings unveil a novel KATP PC enabling functional recovery of rescued channels, holding promise for novel therapeutics in CHI caused by KATP trafficking defects. Disclosure A.M. ElSheikh: None. C.M. Driggers: None. S. Shyng: None. Funding (R01DK066485) to Show-Ling Shyng; (U24GM129547) to PNCC

ATP-sensitive potassium (KATP) channels are metabolic sensors that couple cell energetics to membrane excitability. In pancreatic β-cells, channels formed by SUR1 and Kir6.2 regulate insulin secretion and are the targets of antidiabetic sulfonylureas. Here, we used cryo-EM to elucidate structural basis of channel assembly and gating. The structure, determined in the presence of ATP and the sulfonylurea glibenclamide, at ~6Å resolution reveals a closed Kir6.2 tetrameric core with four peripheral SUR1s each anchored to a Kir6.2 by its N-terminal transmembrane domain (TMD0). Intricate interactions between TMD0, the loop following TMD0, and Kir6.2 near the proposed PIP2 binding site, and where ATP density is observed, suggest SUR1 may contribute to ATP and PIP2 binding to enhance Kir6.2 sensitivity to both. The SUR1-ABC core is found in an unusual inward-facing conformation whereby the two nucleotide binding domains are misaligned along a two-fold symmetry axis, revealing a possible mechanism by which glibenclamide inhibits channel activity.