ABSTRACT YiiP is a prokaryotic Zn 2+ /H + antiporter that serves as a model for the Cation Diffusion Facilitator (CDF) superfamily, members of which are generally responsible for homeostasis of transition metal ions. Previous studies of YiiP as well as related CDF transporters have established a homodimeric architecture and the presence of three distinct Zn 2+ binding sites named A, B, and C. In this study, we use cryo-EM, microscale thermophoresis and molecular dynamics simulations to address the structural and functional roles of individual sites as well as the interplay between Zn 2+ binding and protonation. Structural studies indicate that site C in the cytoplasmic domain is primarily responsible for stabilizing the dimer and that site B at the cytoplasmic membrane surface controls the structural transition from an inward facing conformation to an occluded conformation. Binding data show that intramembrane site A, which is directly responsible for transport, has a dramatic pH dependence consistent with coupling to the proton motive force. A comprehensive thermodynamic model encompassing Zn 2+ binding and protonation states of individual residues indicates a transport stoichiometry of 1 Zn 2+ to 2-3 H + depending on the external pH. This stoichiometry would be favorable in a physiological context, allowing the cell to use the proton gradient as well as the membrane potential to drive the export of Zn 2+ .

ABSTRACT Voltage-gated sodium channels are membrane proteins that play an important role in the propagation of electrical signals by mediating the rising phase of an action potential. Numerous diseases, including epilepsy, extreme pain, and certain cardiac arrhythmias have been linked to defects in these channels. The S3b-S4a helix-turn-helix motif (paddle motif) is a region of the channel that is involved in voltage sensing and undergoes significant structural changes during gating. It is also the binding site for many gating-modifier toxins. We determined the solution structure of the paddle motif from the fourth repeat of NaV1.5 in dodecylphosphocholine micelles by NMR spectroscopy and investigated its dynamics and micelle interactions. The structure displays a helix hairpin with a short connecting loop, and likely represents the activated conformation with three of the first four gating charges facing away from S3. Furthermore, paramagnetic relaxation measurements show that the paddle motif is mainly interacting with the interface region of the micelle. NMR relaxation studies reveal that the paddle motif is mostly rigid, with some residues around the loop region and the last 4 residues on the C-terminus displaying heightened mobility. The structural findings reported here allowed the interpretation of three disease-causing mutations in this region of the human cardiac sodium channel, S1609W, F1617del and T1620M. The establishment of this model system for NMR studies of the paddle region offers a promising platform for future toxin interaction studies in the cardiac sodium channels, and similar approaches may be applied to other sodium channel isoforms.