Abstract Gap junctions establish direct pathways for connected cells and tissues to transfer metabolic and electrical messages 1 . The local lipid environment is known to affect the structure, stability and intercellular channel activity of gap junctions 2-5 ; however, the molecular basis for these effects remains unknown. To gain insight toward how gap junctions interact with their local membrane environment, we used lipid nanodisc technology to incorporate native connexin-46/50 (Cx46/50) intercellular channels into a dual lipid membrane system, closely mimicking a native cell-to-cell junction. Structural characterization of Cx46/50 lipid-embedded channels by single particle CryoEM revealed a lipid-induced stabilization to the channel, resulting in a 3D reconstruction at 1.9 Å resolution. Together with all-atom molecular dynamics (MD) simulations and 3D heterogeneity analysis of the ensemble CryoEM data, it is shown that Cx46/50 in turn imparts long-range stabilization to the dynamic local lipid environment that is specific to the extracellular lipid leaflet of the two opposed membranes. In addition, nearly 400 water molecules are resolved in the CryoEM map, localized throughout the intercellular permeation pathway and contributing to the channel architecture. These results illustrate how the aqueous-lipid environment is integrated with the architectural stability, structure and function of gap junction communication channels, and demonstrates the ability of CryoEM to effectively characterize dynamical protein-lipid interactions.

Abstract The P2X3 receptor (P2X3R), an ATP-gated non-selective cation channel of the P2X receptor family, is expressed in sensory neurons and involved in nociception. P2X3R inhibition was shown to reduce chronic and neuropathic pain. In a previous screening of 2000 approved drugs, natural products and bioactive substances, various non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) were found to inhibit P2X3R-mediated currents. To investigate whether the inhibition of P2X receptors contributes to the analgesic effect of NSAIDs, we characterized the potency and selectivity of various NSAIDs at P2X3R and other P2XR subtypes using two-electrode voltage clamp electrophysiology. We identified diclofenac as a hP2X3R and hP2X2/3R antagonist with micromolar potency (with IC 50 values of 138.2 µM and 76.7 µM, respectively). A weaker inhibition of hP2X1R, hP2X4R and hP2X7R by diclofenac was determined. Flufenamic acid (FFA) proved to inhibit hP2X3R, rP2X3R and hP2X7R (IC 50 values of 221µM, 264.1µM and ∼ 900µM, respectively), questioning its widespread use as a nonselective ion channel blocker, when P2XR-mediated currents are under study. Inhibition of the hP2X3R or hP2X2/3R by diclofenac could be overcome by prolonged ATP-application or increasing concentrations of the agonist α,β-meATP, respectively, indicating competition of diclofenac and the agonists. Molecular dynamics simulation showed that diclofenac largely overlaps with ATP bound to the open state of the hP2X3R. Our results strongly support a competitive antagonism through which diclofenac, by interacting with residues of the ATP-binding site, left flipper, and dorsal fin domains inhibits gating of P2X3R by conformational fixation of the left flipper and dorsal fin domains. In summary, we demonstrate the inhibition of the human P2X3 receptor by various NSAIDs. Diclofenac proved to be the most effective antagonist with a strong inhibition of hP2X3R and hP2X2/3R and a weaker inhibition of hP2X1R, hP2X4R and hP2X7R. Considering their involvement in nociception, inhibition of hP2X3R and hP2X2/3R by micromolar concentrations of diclofenac may contribute to the analgesic effect as well as the side effect of taste disturbances of diclofenac and represent an additional mode of action besides the well-known high potency COX inhibition.

Abstract The connexins form intercellular communication channels, known as gap junctions (GJs), that facilitate diverse physiological roles in vertebrate species, ranging from electrical coupling and long-range chemical signaling, to coordinating development and nutrient exchange. GJs formed by different connexins are expressed throughout the body and harbor unique channel properties that have not been fully defined mechanistically. Recent structural studies have implicated the amino-terminal (NT) domain as contributing to isoform-specific functional differences that exist between the lens connexins, Cx50 and Cx46. To better understand the structural and functional differences in the two closely related, yet functionally distinct GJs, we constructed models corresponding to CryoEM-based structures of the wildtype Cx50 and Cx46 GJs, NT domain swapped chimeras (Cx46-50NT and Cx50-46NT), and point variants at the 9 th residue (Cx46-R9N and Cx50-N9R) for comparative MD simulation and electrophysiology studies. All of these constructs formed functional GJ channels, except Cx46-50NT, which correlated with increased dynamical behavior (instability) of the NT domain observed by MD simulation. Single channel conductance (γ j ) also correlated well with free-energy landscapes predicted by MD, where γ j of Cx46-R9N was increased from Cx46 and the γ j s of Cx50-46NT and Cx50-N9R was decreased from Cx50, but to a surprisingly greater degree. Additionally, we observed significant effects on transjunctional voltage-dependent gating (V j -gating) and open-state dwell times induced by the designed NT domain variants. Together, these studies indicate that the NT domains of Cx46 and Cx50 play an important role in defining channel properties related to open-state stability and single channel conductance.

Abstract Connexin-50 (Cx50) is among the most frequently mutated genes associated with congenital cataracts. While most of these disease-linked variants cause loss-of-function due to misfolding or aberrant trafficking, others directly alter channel properties. The mechanistic bases for such functional defects are mostly unknown. We investigated the functional and structural properties of a cataract-linked mutant, Cx50T39R (T39R), in the Xenopus oocyte system. T39R exhibited greatly enhanced hemichannel currents with altered voltage-gating properties compared to Cx50 and induced cell death. Co-expression of mutant T39R with wild-type Cx50 (to mimic the heterozygous state) resulted in hemichannel currents whose properties were indistinguishable from those induced by T39R alone, suggesting that the mutant had a dominant effect. Co-expression with Cx46 also produced channels with altered voltage-gating properties, particularly at negative potentials. All-atom molecular dynamics simulations indicate that the R39 substitution can form multiple electrostatic salt-bridge interactions between neighboring subunits that could stabilize the open-state conformation of the N-terminal domain, while also neutralizing the voltage-sensing residue D3 as well as residue E42 which participates in loop-gating. Together, these results suggest T39R acts as a dominant gain-of-function mutation that produces leaky hemichannels that may cause cytotoxicity in the lens and lead to development of cataracts. Statement of significance We investigated the functional and structural properties of a cataract-linked mutant, Cx50T39R (T39R), in the Xenopus oocyte system and showed that T39R exhibited greatly enhanced hemichannel currents with altered voltage-gating properties compared to Cx50 and induced cell death. Consistent with our experimental findings, all-atom equilibrium state molecular dynamics (MD) simulations of T39R show that R39 stabilized the open-state configuration of the N-terminal (NT) domain from an adjacent subunit. These results suggest that T39R causes disease by preventing the hemichannels from closing when present in the plasma membrane in the undocked state and provide an atomistic rationalization for the Cx50 disease-linked phenotype. They also expand our understanding of how connexin hemichannel channel gating is controlled.