Abstract Hyperpolarization and cyclic nucleotide (HCN) activated ion channels are critical for the automaticity of action potentials in pacemaking and rhythmic electrical circuits in the human body. Unlike most voltage-gated ion channels, the HCN and related plant ion channels activate upon membrane hyperpolarization. Although functional studies have identified residues in the interface between the voltage-sensing and pore domain as crucial for inverted electromechanical coupling, the structural mechanisms for this unusual voltage-dependence remain unclear. Here, we present cryo-electron microscopy structures of human HCN1 corresponding to Closed, Open, and a putative Intermediate state. Our structures reveal that the downward motion of the gating charges past the charge transfer center is accompanied by concomitant unwinding of the inner end of the S4 and S5 helices, disrupting the tight gating interface observed in the Closed state structure. This helix-coil transition at the intracellular gating interface accompanies a concerted iris-like dilation of the pore helices and underlies the reversed voltage dependence of HCN channels.

Abstract The human Mitochondrial RNA Splicing 2 protein (MRS2) has been implicated in Mg 2+ transport across mitochondrial inner membranes, thus playing an important role in Mg 2+ homeostasis critical for mitochondrial integrity and function. However, the molecular mechanisms underlying its fundamental channel properties such as ion selectivity and regulation remain unclear. Here, we present structural and functional investigation of MRS2. Cryo-electron microscopy structures in various ionic conditions reveal a pentameric channel architecture and the molecular basis of ion permeation and potential regulation mechanisms. Electrophysiological analyses demonstrate that MRS2 is a Ca 2+ -regulated, non-selective channel permeable to Mg 2+ , Ca 2+ , Na + and K + , which contrasts with its prokaryotic ortholog, CorA, operating as a Mg 2+ -gated Mg 2+ channel. Moreover, a conserved arginine ring within the pore of MRS2 functions to restrict cation movements, likely preventing the channel from collapsing the proton motive force that drives mitochondrial ATP synthesis. Together, our results provide a molecular framework for further understanding MRS2 in mitochondrial function and disease.

Abstract TMEM206 has been recently identified as an evolutionarily conserved chloride channel that underlies ubiquitously expressed, proton-activated, outwardly rectifying anion currents. Here we report the cryo-electron microscopy structure of pufferfish TMEM206, which forms a trimeric channel, with each subunit comprising two transmembrane segments, the outer and inner helices, and a large extracellular domain. An ample vestibule in the extracellular region is accessible laterally from the three side portals. The central pore contains multiple constrictions preventing ion conduction. A conserved lysine residue near the cytoplasmic end of the inner helix forms the presumed chloride ion selectivity filter. Unprecedentedly, the core structure and assembly closely resemble those of the epithelial sodium channel/degenerin family of sodium channels that are unrelated in amino acid sequence and conduct cations instead of anions. Together with electrophysiology, this work provides insights into ion conduction and gating for a new class of chloride channels that is architecturally distinct from previously characterized chloride channel families.

Fatty acid β-oxidation (FAO) is a central catabolic pathway with broad implications for organismal health. However, various fatty acids are largely incompatible with standard FAO machinery until they are modified by other enzymes. Included among these are the 4-hydroxy acids (4-HAs)-fatty acids hydroxylated at the 4 (γ) position-which can be provided from dietary intake, lipid peroxidation, and certain drugs of abuse. Here, we reveal that two atypical and poorly characterized acyl-CoA dehydrogenases (ACADs), ACAD10 and ACAD11, drive 4-HA catabolism in mice. Unlike other ACADs, ACAD10 and ACAD11 feature kinase domains N-terminal to their ACAD domains that phosphorylate the 4-OH position as a requisite step in the conversion of 4-hydroxyacyl-CoAs into 2-enoyl-CoAs-conventional FAO intermediates. Our ACAD11 cryo-EM structure and molecular modeling reveal a unique binding pocket capable of accommodating this phosphorylated intermediate. We further show that ACAD10 is mitochondrial and necessary for catabolizing shorter-chain 4-HAs, whereas ACAD11 is peroxisomal and enables longer-chain 4-HA catabolism. Mice lacking ACAD11 accumulate 4-HAs in their plasma while comparable 3- and 5-hydroxy acids remain unchanged. Collectively, this work defines ACAD10 and ACAD11 as the primary gatekeepers of mammalian 4-HA catabolism and sets the stage for broader investigations into the ramifications of aberrant 4-HA metabolism in human health and disease.

Large conductance Ca2+ and voltage activated K+ (BK) channels control membrane excitability in many cell types. BK channels are tetrameric. Each subunit is comprised of a voltage sensor domain (VSD), a central pore gate domain, and a large cytoplasmic domain (CTD) that contains the Ca2+ sensors. While it is known that BK channels are activated by voltage and Ca2+, and that voltage and Ca2+ activations interact, less is known about the mechanisms involved. We now explore mechanism by examining the gating contribution of an interface formed between the VSDs and the αB helices located at the top of the CTDs. Proline mutations in the αB helix greatly decreased voltage activation while having negligible effects on gating currents. Analysis with the HCA model indicated a decreased coupling between voltage sensors and pore gate. Proline mutations decreased Ca2+ activation for both Ca2+ bowl and RCK1 Ca2+ sites, suggesting that both high affinity Ca2+ sites transduce their effect, at least in part, through the αB helix. Mg2+ activation was also decreased. The crystal structure of the CTD with proline mutation L390P showed a flattening of the first helical turn in the αB helix compared to WT, without other notable differences in the CTD, indicating structural change from the mutation was confined to the αB helix. These findings indicate that an intact αB helix/VSD interface is required for effective coupling of Ca2+ binding and voltage depolarization to pore opening, and that shared Ca2+ and voltage transduction pathways involving the αB helix may be involved.

The plasma membrane ATP release channel pannexin 1 has been implicated in numerous physiological and pathophysiological processes associated with purinergic signaling, including cancer progression, apoptotic cell clearance, inflammation, blood pressure regulation, oocyte development, epilepsy and neuropathic pain. Here, we present near-atomic resolution structures of Xenopus tropicalis and Homo sapiens PANX1 determined by cryo-electron microscopy that reveal a heptameric channel architecture. Compatible with ATP permeation, the transmembrane pore and cytoplasmic vestibule are exceptionally wide. An extracellular tryptophan ring located at the outer pore creates a constriction site, potentially functioning as a molecular sieve that restricts the size of permeable substrates. In combination with functional characterization, this work elucidates the previously unknown architecture of pannexin channels and establishes a foundation for understanding their unique channel properties as well as for developing rational therapies.

Gram-negative bacteria produce chaperone–usher pathway pili, which are extracellular protein fibers tipped with an adhesive protein that binds to a receptor with stereochemical specificity to determine host and tissue tropism. The outer-membrane usher protein, together with a periplasmic chaperone, assembles thousands of pilin subunits into a highly ordered pilus fiber. The tip adhesin in complex with its cognate chaperone activates the usher to allow extrusion across the outer membrane. The structural requirements to translocate the adhesin through the usher pore from the periplasm to the extracellular space remains incompletely understood. Here, we present a cryoelectron microscopy structure of a quaternary tip complex in the type 1 pilus system from Escherichia coli , which consists of the usher FimD, chaperone FimC, adhesin FimH, and the tip adapter FimF. In this structure, the usher FimD is caught in the act of secreting its cognate adhesin FimH. Comparison with previous structures depicting the adhesin either first entering or having completely exited the usher pore reveals remarkable structural plasticity of the two-domain adhesin during translocation. Moreover, a piliation assay demonstrated that the structural plasticity, enabled by a flexible linker between the two domains, is a prerequisite for adhesin translocation through the usher pore and thus pilus biogenesis. Overall, this study provides molecular details of adhesin translocation across the outer membrane and elucidates a unique conformational state adopted by the adhesin during stepwise secretion through the usher pore. This study elucidates fundamental aspects of FimH and usher dynamics critical in urinary tract infections and is leading to antibiotic-sparing therapeutics.

Potassium ion conduction through open potassium channels is essential to control of membrane potentials in all cells. To elucidate the open conformation and hence the mechanism of K+ ion conduction in the classical inward rectifier Kir2.2, we introduced a negative charge (G178D) at the crossing point of the inner helix bundle (HBC), the location of ligand-dependent gating. This "forced open" mutation generated channels that were active even in the complete absence of phosphoinositol-4,5-bisphosphate (PIP2), an otherwise essential ligand for Kir channel opening. Crystal structures were obtained at a resolution of 3.6 A without PIP2 bound, or 2.8 A in complex with PIP2. The latter revealed a slight widening at the HBC, through backbone movement. Molecular dynamics (MD) simulations showed that subsequent spontaneous wetting of the pore through the HBC gate region allowed K+ ion movement across the HBC and conduction through the channel. Further simulations reveal atomistic details of the opening process and highlight the role of pore lining acidic residues in K+ conduction through Kir2 channels.

Abstract Plant‐based milk alternatives are sustainable, hypoallergenic, and nutrient‐rich, but challenges related to their lower bioavailability compared with animal‐based milk still exist. In this study, we developed a multiple plant‐based milk alternative using germinated soybeans and fermented cereals, and compared the protein digestible behaviors with commercial soy and bovine milk via in vitro gastrointestinal digestion. The multiple plant‐based milk alternative possessed a higher level of essential amino acids and amino acid scores than the soy milk and a smaller percentage of low‐molecular‐weight peptides than the bovine milk. It displayed better protein‐digestible responses with no apparent gastric coagulation. Moreover, the relatively larger particles in the multiple plant‐based milk alternative had few effects on protein digestibility, with the highest proteolytic degree and a better free amino acid profile. The findings suggest that the multiple plant‐based milk alternative presents higher protein digestibility behavior, and it could be a promising industrial plant‐based product.