The Na + ,K + -ATPase maintains electrochemical gradients for Na + and K + that are critical for animal cells. Cardiotonic steroids (CTSs), widely used in the clinic and recently assigned a role as endogenous regulators of intracellular processes, are highly specific inhibitors of the Na + ,K + -ATPase. Here we describe a crystal structure of the phosphorylated pig kidney Na + ,K + -ATPase in complex with the CTS representative ouabain, extending to 3.4 Å resolution. The structure provides key details on CTS binding, revealing an extensive hydrogen bonding network formed by the β-surface of the steroid core of ouabain and the side chains of αM1, αM2, and αM6. Furthermore, the structure reveals that cation transport site II is occupied by Mg 2+ , and crystallographic studies indicate that Rb + and Mn 2+ , but not Na + , bind to this site. Comparison with the low-affinity [K 2 ]E2–MgF x –ouabain structure [Ogawa et al. (2009) Proc Natl Acad Sci USA 106(33):13742–13747) shows that the CTS binding pocket of [Mg]E2P allows deep ouabain binding with possible long-range interactions between its polarized five-membered lactone ring and the Mg 2+ . K + binding at the same site unwinds a turn of αM4, dragging residues Ile318–Val325 toward the cation site and thereby hindering deep ouabain binding. Thus, the structural data establish a basis for the interpretation of the biochemical evidence pointing at direct K + –Mg 2+ competition and explain the well-known antagonistic effect of K + on CTS binding.

Significance Na + ,K + -ATPase is the ion pump responsible for maintenance of the electrochemical gradients of Na + and K + across the membrane of animal cells. Cardiotonic steroids constitute a broad class of specific Na + ,K + -ATPase inhibitors, including drugs of clinical importance with multiple physiological effects. The existence of several endogenous cardiotonic steroids suggests their involvement in health and disease mediated by various signaling pathways, but the structure–activity relationships are not yet understood. Using X-ray crystallography and analysis of binding kinetics, we characterize Na + ,K + -ATPase complexes with a total of five cardiotonic steroids, showing variations in glycosylation, steroid core substituents, and structure of the lactone substituent. This insight is highly relevant for the understanding of physiological effects and future drug development based on cardiotonic steroids.

Abstract Overactive inflammation is directly correlated with airway damage and early death in individuals with cystic fibrosis (CF), a genetic disorder caused by mutation in the CFTR gene. Reducing the impact of inflammatory damage is therefore a major concern in CF. Several studies indicate that a decrease in the nuclear factor erythroid 2-related factor-2 (NRF2) signaling in people with CF may hamper their ability to alleviate oxidative stress and inflammation, although the role of NRF2 in CF inflammatory damage has not been determined. Therefore, we examined whether the phytochemical curcumin, an activator of NRF2, might provide a beneficial effect in the context of CF. Herein, combining Cftr -depleted zebrafish larvae as innovative biomedical model with CF patient-derived airway organoids (AOs), we sought to understand how NRF2 dysfunction leads to abnormal inflammatory status and impaired tissue remodeling, and determine the effects of curcumin in reducing inflammation and tissue damage in CF. We demonstrate that NFR2 is instrumental in efficiently regulating inflammatory and repair processes in vivo , thereby preventing acute neutrophilic inflammation and tissue damage. Importantly, curcumin treatment restores NRF2 activity in both CF zebrafish and AOs. Curcumin reduces neutrophilic inflammation in CF context, by rebalancing the production of epithelial ROS and pro-inflammatory cytokines. Furthermore, curcumin alleviates CF-associated tissue remodeling and allows tissue repair to occur. Our findings demonstrate that curcumin reduces inflammatory damage by restoring normal NRF2 activity, since disruption of Nrf2 pathway abrogated the effect of treatment in CF zebrafish. This work highlights the protective role of NRF2 in limiting inflammation and injury, and show that therapeutic strategies to normalize NRF2 activity using curcumin might simultaneously reduce inflammation and enhance tissue repair, and thus prevent infectious and inflammatory lung damage in CF.