The dNTPase activity of tetrameric SAM and HD domain containing deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase 1 (SAMHD1) plays a critical role in cellular dNTP regulation. SAMHD1 also associates with stalled DNA replication forks, DNA repair foci, ssRNA, and telomeres. The above functions require nucleic acid binding by SAMHD1, which may be modulated by its oligomeric state. Here we establish that the guanine-specific A1 activator site of each SAMHD1 monomer is used to target the enzyme to guanine nucleotides within single-stranded (ss) DNA and RNA. Remarkably, nucleic acid strands containing a single guanine base induce dimeric SAMHD1, while two or more guanines with ~20 nucleotide spacing induce a tetrameric form. A cryo-EM structure of ssRNA-bound tetrameric SAMHD1 shows how ssRNA strands bridge two SAMHD1 dimers and stabilize the structure. This ssRNA-bound tetramer is inactive with respect to dNTPase and RNase activity.

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.

ATP-sensitive potassium (KATP) channels composed of a pore-forming Kir6.2 potassium channel and a regulatory ABC transporter sulfonylurea receptor 1 (SUR1) regulate insulin secretion in pancreatic β-cells to maintain glucose homeostasis. Mutations that impair channel folding or assembly prevent cell surface expression and cause congenital hyperinsulinism. Structurally diverse KATP inhibitors have been shown to act as pharmacochaperones to correct mutant channel expression, but the mechanism is unknown. Here, we compare cryoEM structures of KATP channels bound to pharmacochaperones glibenclamide, repaglinide, and carbamazepine. We found all three drugs bind within a common pocket in SUR1. Further, we found the N-terminus of Kir6.2 inserted within the central cavity of the SUR1 ABC core, adjacent the drug binding pocket. The findings reveal a common mechanism by which diverse compounds stabilize the Kir6.2 N-terminus within the SUR1 ABC core, allowing it to act as a firm "handle" for the assembly of metastable mutant SUR1-Kir6.2 complexes.

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 .