The c subunit is an inner mitochondrial membrane (IMM) protein and is an integral part of the F0 complex of the ATP synthase. Under physiological conditions, this short 75 residue-long peptide folds into an α-helical hairpin and forms oligomers spanning the lipid bilayer. In addition to its physiological role, the c subunit has been proposed as a key participant in stress-induced IMM permeabilization by the mechanism of calcium-induced permeability transition. However, the molecular mechanism of the c subunit participation in IMM permeabilization is not completely understood. Here we used fluorescence spectroscopy, atomic force microscopy and black lipid membrane methods to gain insights into the structural and functional properties of c subunit protein that make it relevant to mitochondrial toxicity. We discovered that c subunit is an amyloidogenic peptide that can spontaneously fold into β-sheets and self-assemble into fibrils and oligomers. C subunit oligomers exhibited ion channel activity in lipid membranes. We propose that the toxic effects of c subunit might be linked to its amyloidogenic properties and are driven by mechanisms similar to those of neurodegenerative polypeptides such as Aβ and α-synuclein.

ABSTRACT: Drug-induced proarrhythmia is so tightly associated with prolongation of the QT interval that QT prolongation has become widely accepted as a surrogate marker for arrhythmia. The problem is that QT interval as an arrhythmia indicator is too sensitive and not selective, resulting in many potentially useful drugs eliminated early in the drug discovery process. We first set out to predict the fundamental mode of binding for the proarrhythmic drug dofetilide with the promiscuous cardiac drug target, the hERG potassium channel. In a novel linkage between the atomistic and functional scales, computed binding affinities and rates from atomistic simulation are utilized here to parameterize function scale kinetic models of dofetilide interactions with the hERG channel. The kinetic model components are then integrated into predictive models at the cell and tissue scales to expose fundamental arrhythmia vulnerability mechanisms and complex interactions underlying emergent behaviors. Human clinical data from published studies were used to validate model framework and showed excellent agreement, demonstrating feasibility of the approach. The model predictions show that a clinically relevant dose of dofetilide increased arrhythmia vulnerability in all emergent TRIaD-linked parameters including Triangulation, Reverse use-dependence, beat-to-beat Instability and temporal and spatial action potential duration Dispersion. Application of machine learning demonstrated redundancy in the TRIaD linked parameters and suggested that changes in beat-to-beat instability were highly predictive of arrhythmia vulnerability in this setting. Here, we demonstrate the development and validation of a prototype multiscale model framework to predict electro-toxicity in the heart for the proarrhythmic drug dofetilide from the atom to the rhythm.

This study was conducted as a single-site, open-label, randomized, replicated crossover trial with 4 treatment periods. The aim was to evaluate the bioequivalence of a generic test drug containing velpatasvir and sofosbuvir compared to an established brand-name medication in healthy White subjects under fasting conditions. Blood samples were collected at specified intervals up to 72 hours after dosing to measure the concentrations of velpatasvir and sofosbuvir using a certified high-performance liquid chromatography with tandem mass spectrometry method. The bioequivalence of the 2 formulations was confirmed when statistical analysis showed that confidence intervals for the log-transformed peak concentration and area under the concentration-time curve from time 0 to the last quantifiable sample were within an acceptable range from 80% to 125%. Criteria for bioequivalence were met for both area under the concentration-time curve from time 0 until the last quantifiable sample and peak concentration parameters. No adverse effects were reported during this trial in both groups.

Abstract This was an open‐label, randomized, single‐dose, 2‐period, crossover clinical trial with an adaptive design to evaluate the bioequivalence and comparative pharmacokinetics of generic glecaprevir/pibrentasvir versus the brand name product in healthy White male and female volunteers under fed conditions. Safety profiles were also assessed. A total of 56 healthy adult volunteers were enrolled and randomly assigned in a 1:1 ratio to receive a single dose of either the generic or reference formulation. After a 7‐day washout period, subjects received the alternate product. Blood samples were collected at pre‐specified time points up to 48 hours post‐dosing. Plasma concentrations of glecaprevir and pibrentasvir were determined using a validated high‐performance liquid chromatography‐tandem mass spectrometry method. The geometric mean ratios of the test to the reference formulation for maximum plasma concentration (C max ) and area under the concentration‐time curve from drug administration to the last measurable concentration (AUC 0‐t ) fell within the predefined bioequivalence range of 80%‐125%. Both formulations demonstrated comparable pharmacokinetic profiles for glecaprevir and pibrentasvir, and can be considered bioequivalent. No adverse events were reported, and both formulations were well tolerated by all participants.

Current methods for assessing safety pharmacology in the context of cardiac arrhythmia risk are unable to distinguish between drugs that cause cardiac rhythm disturbances and benign drugs. Drugs deemed likely to be unsafe share the common property of blocking the human Ether-a-go-go-Related Gene (hERG) encoded cardiac potassium channel and consequent prolongation of QT interval on the ECG. However, hERG block and QT prolongation alone are not selective indicators for cardiac arrhythmia. Here we present a prototype computational framework to distinguish between safe and unsafe hERG blockers. We used recent cryo-EM hERG structure to build and validate an atomistic structural model of the channel open conducting state. We also developed structural atomistic models of dofetilide, a hERG blocking drug with high pro-arrhythmia risk, in both charged and neutral ionization states. Next, we employed unbiased and enhanced sampling all-atom molecular dynamics (MD) simulations to probe atomic-scale mechanisms of dofetilide interaction with open-state hERG. Multi-microsecond drug "flooding" simulations revealed spontaneous dofetilide binding to the channel pore through the intracellular gate. Umbrella sampling MD was used to compute dofetilide affinity to hERG, in good agreement with experiment, as well as ingress and egress rates, which in a novel linkage between the atomistic and functional scale are utilized in our companion paper (Yang P-C et al. 2019 bioRxiv:635433) to parameterize functional kinetic models of dofetilide - hERG interactions used to predict emergent drug effects on the cardiac rhythm. This study represents the first necessary components of a computational framework for virtual cardiac safety pharmacology screening from the atom to the rhythm.

Abstract The human ether-a-go-go -related gene (hERG) encodes the voltage gated potassium channel (KCNH2 or Kv11.1, commonly known as hERG). This channel plays a pivotal role in the stability of phase 3 repolarization of the cardiac action potential. Although a high-resolution cryo-EM structure is available for its depolarized (open) state, the structure surprisingly did not feature many functionally important interactions established by previous biochemical and electrophysiology experiments. Using Molecular Dynamics Flexible Fitting (MDFF), we refined the structure and recovered the missing functionally relevant salt bridges in hERG in its depolarized state. We also performed electrophysiology experiments to confirm the functional relevance of a novel salt bridge predicted by our refinement protocol. Our work shows how refinement of a high-resolution cryo-EM structure helps to bridge the existing gap between the structure and function in the voltage-sensing domain (VSD) of hERG. Statement of Significance Cryo-EM has emerged as a major breakthrough technique in structural biology of membrane proteins. However, even high-resolution Cryo-EM structures contain poor side chain conformations and interatomic clashes. A high-resolution cryo-EM structure of hERG1 has been solved in the depolarized (open) state. The state captured by Cryo-EM surprisingly did not feature many functionally important interactions established by previous experiments. Molecular Dynamics Flexible Fitting (MDFF) used to enable refinement of the hERG1 channel structure in complex membrane environment re-establishing key functional interactions in the voltage sensing domain.