Sensitization of the pain-transducing ion channel TRPV1 underlies thermal hyperalgesia by proalgesic agents such as nerve growth factor (NGF). The currently accepted model is that the NGF-mediated increase in TRPV1 function during hyperalgesia utilizes activation of phospholipase C (PLC) to cleave PIP2, proposed to tonically inhibit TRPV1. In this study, we tested the PLC model and found two lines of evidence that directly challenge its validity: (1) polylysine, a cationic phosphoinositide sequestering agent, inhibited TRPV1 instead of potentiating it, and (2) direct application of PIP2 to inside-out excised patches dramatically potentiated TRPV1. Furthermore, we show four types of experiments indicating that PI3K is physically and functionally coupled to TRPV1: (1) the p85β subunit of PI3K interacted with the N-terminal region of TRPV1 in yeast 2-hybrid experiments, (2) PI3K-p85β coimmunoprecipitated with TRPV1 from both HEK293 cells and dorsal root ganglia (DRG) neurons, (3) TRPV1 interacted with recombinant PI3K-p85 in vitro, and (4) wortmannin, a specific inhibitor of PI3K, completely abolished NGF-mediated sensitization in acutely dissociated DRG neurons. Finally, simultaneous electrophysiological and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy recordings demonstrate that NGF increased the number of channels in the plasma membrane. We propose a new model for NGF-mediated hyperalgesia in which physical coupling of TRPV1 and PI3K in a signal transduction complex facilitates trafficking of TRPV1 to the plasma membrane.

Acridonylalanine (Acd) is a fluorescent amino acid that is highly photostable, with a high quantum yield and long fluorescence lifetime in water. These properties make it superior to existing genetically encodable fluorescent amino acids for monitoring protein interactions and conformational changes through fluorescence polarization or lifetime experiments, including fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Here, we report the genetic incorporation of Acd using engineered pyrrolysine tRNA synthetase (RS) mutants that allow for efficient Acd incorporation in both E. coli and mammalian cells. We compare protein yields and amino acid specificity for these Acd RSs to identify an optimal construct. We also demonstrate the use of Acd in FLIM, where its long lifetime provides strong contrast compared to endogenous fluorophores and engineered fluorescent proteins, which have lifetimes less than 5 ns.

ABSTRACT Receptor tyrosine kinase signaling is characterized by complex webs of interconnected pathways that regulate diverse cellular functions. The complexity of signaling is a barrier to understanding the pathways that control any particular function. In this work, we use a novel combination of approaches and a new click chemistry probe to determine the role of one pathway in regulating cell surface expression of an ion channel and a receptor tyrosine kinase. We applied an optogenetic approach to uncouple activation of the PI3K pathway from other pathways downstream of RTK activation. In this context, we used genetic code expansion to introduce a click chemistry noncanonical amino acid into the extracellular side of membrane proteins. Applying a cell-impermeant click chemistry fluorophore allowed us to visualize delivery of membrane proteins to the PM in real time. Using these approaches, we demonstrate that activation of PI3K, without activating other pathways downstream of RTK signaling, is sufficient to traffic the TRPV1 ion channels and insulin receptors to the plasma membrane.

Abstract With the recent explosion in high-resolution protein structures, one of the next frontiers in biology is elucidating the mechanisms by which conformational rearrangements in proteins are regulated to meet the needs of cells under changing conditions. Rigorously measuring protein energetics and dynamics requires the development of new methods that can resolve structural heterogeneity and conformational distributions. We have previously developed steady-state transition metal ion fluorescence resonance energy transfer (tmFRET) approaches using a fluorescent noncanonical amino acid donor (Anap) and transition metal ion acceptor, to probe conformational rearrangements in soluble and membrane proteins. Here, we show that the fluorescent noncanonical amino acid Acd has superior photophysical properties that extend its utility as a donor for tmFRET. Using maltose binding protein (MBP) expressed in mammalian cells as a model system, we show that Acd is comparable to Anap in steady-state tmFRET experiments and that its long, single-exponential lifetime is better suited for probing conformational distributions using time-resolved FRET. These experiments reveal differences in heterogeneity in the apo and holo conformational states of MBP and produce accurate quantification of the distributions among apo and holo conformational states at subsaturating maltose concentrations. Our new approach using Acd for time-resolved tmFRET sets the stage for measuring the energetics of conformational rearrangements in soluble and membrane proteins in near-native conditions.

Proteins are the workhorses of biology, orchestrating a myriad of cellular functions through intricate conformational changes. Protein allostery, the phenomenon where binding of ligands or environmental changes induce conformational rearrangements in the protein, is fundamental to these processes. We have previously shown that transition metal Förster resonance energy transfer (tmFRET) can be used to interrogate the conformational rearrangements associated with protein allostery and have recently introduced novel FRET acceptors utilizing metal-bipyridyl derivatives to measure long (>20 Å) intramolecular distances in proteins. Here, we combine our tmFRET system with fluorescence lifetime measurements to measure the distances, conformational heterogeneity, and energetics of maltose binding protein (MBP), a model allosteric protein. Time-resolved tmFRET captures near-instantaneous snapshots of distance distributions, offering insights into protein dynamics. We show that time-resolved tmFRET can accurately determine distance distributions and conformational heterogeneity of proteins. Our results demonstrate the sensitivity of time-resolved tmFRET in detecting subtle conformational or energetic changes in protein conformations, which are crucial for understanding allostery. In addition, we extend the use of metal-bipyridyl compounds, showing Cu(phen)2+ can serve as a spin label for pulse dipolar electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, a method which also reveals distance distributions and conformational heterogeneity. The EPR studies both establish Cu(phen)2+ as a useful spin label for pulse dipolar EPR and validate our time-resolved tmFRET measurements. Our approach offers a versatile tool for deciphering conformational landscapes and understanding the regulatory mechanisms governing biological processes.

The transient receptor potential Ankyrin-1 (TRPA1) ion channel is modulated by myriad noxious stimuli that interact with multiple regions of the channel, including cysteine-reactive natural extracts from onion and garlic which modify residues in the cytoplasmic domains. The way in which TRPA1 cytoplasmic domain modification is coupled to opening of the ion-conducting pore has yet to be elucidated. The cryo-EM structure of TRPA1 revealed a tetrameric C-terminal coiled-coil surrounded by N-terminal ankyrin repeat domains (ARDs), an architecture shared with the canonical transient receptor potential (TRPC) ion channel family. Similarly, structures of the TRP melastatin (TRPM) ion channel family also showed a C-terminal coiled-coil surrounded by N-terminal cytoplasmic domains. This conserved architecture may indicate a common gating mechanism by which modification of cytoplasmic domains can transduce conformational changes to open the ion-conducting pore. We developed an in vitro system in which N-terminal ARDs and C-terminal coiled-coil domains can be expressed in bacteria and maintain the ability to interact. We tested three gating regulators: temperature; the polyphosphate compound IP6; and the covalent modifier allyl isothiocyanate to determine whether they alter N- and C-terminal interactions. We found that none of the modifiers tested abolished ARD-coiled-coil interactions, though there was a significant reduction at 37°C. We found that coiled-coils tetramerize in a concentration dependent manner, with monomers and trimers observed at lower concentrations. Our system provides a method for examining the mechanism of oligomerization of TRPA1 cytoplasmic domains as well as a system to study the transmission of conformational changes resulting from covalent modification.

Although it has been known for over a decade that the inflammatory mediator NGF sensitizes pain-receptor neurons through increased trafficking of TRPV1 channels to the plasma membrane, the mechanism by which this occurs remains mysterious. NGF activates phosphoinositide 3-kinase (PI3K), the enzyme that generates PIP3, and PI3K activity is required for sensitization. One tantalizing hint came from the finding that the N-terminal region of TRPV1 interacts directly with PI3K. Using 2-color total internal reflection fluorescence microscopy, we show that TRPV1 potentiates NGF-induced PI3K activity. A soluble TRPV1 fragment corresponding to the N-terminal Ankyrin repeats domain (ARD) was sufficient to produce this potentiation, indicating that allosteric regulation was involved. Further, other TRPV channels with conserved ARDs also potentiated NGF-induced PI3K activity whereas TRP channels lacking ARDs did not. Our data demonstrate a novel reciprocal regulation of PI3K signaling by the ARD of TRPV channels.

Conformational dynamics underlie enzyme function, yet are generally inaccessible via traditional structural approaches. FRET has the potential to measure conformational dynamics in vitro and in intact cells, but technical barriers have thus far limited its accuracy, particularly in membrane proteins. Here, we combine amber codon suppression to introduce a donor fluorescent noncanonical amino acid with a new, biocompatible approach for labeling proteins with acceptor transition metals in a method called ACCuRET (Anap Cyclen-Cu2+ resonance energy transfer). We show that ACCuRET measures absolute distances and distance changes with high precision and accuracy using maltose binding protein as a benchmark. Using cell unroofing, we show that ACCuRET can accurately measure rearrangements of proteins in native membranes. Finally, we implement a computational method for correcting the measured distances for the distance distributions observed in proteins. ACCuRET thus provides a flexible, powerful method for measuring conformational dynamics in both soluble proteins and membrane proteins.

With the great progress on determining protein structures over the last decade comes a renewed appreciation that structures must be combined with dynamics and energetics to understand function. Fluorescence spectroscopy, specifically Förster resonance energy transfer (FRET) provides a great window into dynamics and energetics due to its application at physiological temperatures and ability to measure dynamics on the ångström scale. We have recently advanced transition metal FRET (tmFRET) to study allosteric regulation of maltose binding protein and have reported measurements of maltose-dependent distance changes with an accuracy of ~1.5 Å. When paired with the noncanonical amino acid Acd as a donor, our previous tmFRET acceptors were useful over a working distance of 10 Å to 20 Å. Here, we use cysteine-reactive bipyridyl and phenanthroline compounds as chelators for novel Fe2+- and Ru2+-based tmFRET acceptors to expand the working distance to as long as 50 Å, while preserving our ability to resolve even small maltose-dependent changes in distance. We compare our measured FRET efficiencies to predictions based on models using rotameric ensembles of the donors and acceptors to demonstrate that steady-state measurements of tmFRET with our new probes have unprecedented ability to measure conformational rearrangements under physiological conditions.