Laminin trimers composed of α, β, and γ chains are major components of basal laminae (BLs) throughout the body. To date, three α chains (α1–3) have been shown to assemble into at least seven heterotrimers (called laminins 1–7). Genes encoding two additional α chains (α4 and α5) have been cloned, but little is known about their expression, and their protein products have not been identified. Here we generated antisera to recombinant α4 and α5 and used them to identify authentic proteins in tissue extracts. Immunoprecipitation and immunoblotting showed that α4 and α5 assemble into four novel laminin heterotrimers (laminins 8–11: α4β1γ1, α4β2γ1, α5β1γ1, and α5β2γ1, respectively). Using a panel of nucleotide and antibody probes, we surveyed the expression of α1-5 in murine tissues. All five chains were expressed in both embryos and adults, but each was distributed in a distinct pattern at both RNA and protein levels. Overall, α4 and α5 exhibited the broadest patterns of expression, while expression of α1 was the most restricted. Immunohistochemical analysis of kidney, lung, and heart showed that the α chains were confined to extracellular matrix and, with few exceptions, to BLs. All developing and adult BLs examined contained at least one α chain, all α chains were present in multiple BLs, and some BLs contained two or three α chains. Detailed analysis of developing kidney revealed that some individual BLs, including those of the tubule and glomerulus, changed in laminin chain composition as they matured, expressing up to three different α chains and two different β chains in an elaborate and dynamic progression. Interspecific backcross mapping of the five α chain genes revealed that they are distributed on four mouse chromosomes. Finally, we identified a novel full-length α3 isoform encoded by the Lama3 gene, which was previously believed to encode only truncated chains. Together, these results reveal remarkable diversity in BL composition and complexity in BL development.

Laminins, heterotrimers of α, β, and γ chains, are prominent constituents of basal laminae (BLs) throughout the body. Previous studies have shown that laminins affect both myogenesis and synaptogenesis in skeletal muscle. Here we have studied the distribution of the 10 known laminin chains in muscle and peripheral nerve, and assayed the ability of several heterotrimers to affect the outgrowth of motor axons. We show that cultured muscle cells express four different α chains (α1, α2, α4, and α5), and that developing muscles incorporate all four into BLs. The portion of the muscle's BL that occupies the synaptic cleft contains at least three α chains and two β chains, but each is regulated differently. Initially, the α2, α4, α5, and β1 chains are present both extrasynaptically and synaptically, whereas β2 is restricted to synaptic BL from its first appearance. As development proceeds, α2 remains broadly distributed, whereas α4 and α5 are lost from extrasynaptic BL and β1 from synaptic BL. In adults, α4 is restricted to primary synaptic clefts whereas α5 is present in both primary and secondary clefts. Thus, adult extrasynaptic BL is rich in laminin 2 (α2β1γ1), and synaptic BL contains laminins 4 (α2β2γ1), 9 (α4β2γ1), and 11 (α5β2γ1). Likewise, in cultured muscle cells, α2 and β1 are broadly distributed but α5 and β2 are concentrated at acetylcholine receptor–rich “hot spots,” even in the absence of nerves. The endoneurial and perineurial BLs of peripheral nerve also contain distinct laminin chains: α2, β1, γ1, and α4, α5, β2, γ1, respectively. Mutation of the laminin α2 or β2 genes in mice not only leads to loss of the respective chains in both nerve and muscle, but also to coordinate loss and compensatory upregulation of other chains. Notably, loss of β2 from synaptic BL in β2−/− “knockout” mice is accompanied by loss of α5, and decreased levels of α2 in dystrophic α2dy/dy mice are accompanied by compensatory retention of α4. Finally, we show that motor axons respond in distinct ways to different laminin heterotrimers: they grow freely between laminin 1 (α1β1γ1) and laminin 2, fail to cross from laminin 4 to laminin 1, and stop upon contacting laminin 11. The ability of laminin 11 to serve as a stop signal for growing axons explains, in part, axonal behaviors observed at developing and regenerating synapses in vivo.

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.

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 .