Abstract The cardiac KCNQ1+KCNE1 (I Ks ) channel regulates heart rhythm in both normal and stress conditions. Under stress, the β-adrenergic stimulation elevates the intracellular cAMP level, leading to KCNQ1 phosphorylation by protein kinase A and increased I Ks , which shortens action potentials to adapt to accelerated heart rate. An impaired response to the β-adrenergic stimulation due to KCNQ1 mutations is associated with the occurrence of a lethal congenital long QT syndrome (type 1, also known as LQT1). However, the underlying mechanism of β-adrenergic stimulation of I Ks remains unclear, impeding the development of new therapeutics. Here we find that the unique properties of KCNQ1 channel gating with two distinct open states are key to this mechanism. KCNQ1’s fully activated open (AO) state is more sensitive to cAMP than its’ intermediate open (IO) state. By enhancing the AO state occupancy, the small molecules ML277 and C28 are found to effectively enhance the cAMP sensitivity of the KCNQ1 channel, independent of KCNE1 association. This finding of enhancing AO state occupancy leads to a potential novel strategy to rescue the response of I Ks to β-adrenergic stimulation in LQT1 mutants. The success of this approach is demonstrated in cardiac myocytes and also in a high-risk LQT1 mutation. In conclusion the present study not only uncovers the key role of the AO state in I Ks channel phosphorylation, but also provides a new target for anti-arrhythmic strategy. Significance statement The increase of I Ks potassium currents with adrenalin stimulation is important for “fight-or-flight” responses. Mutations of the IKs channel reducing adrenalin responses are associated with more lethal form of the type-1 long-QT syndrome (LQT). The alpha subunit of the IKs channel, KCNQ1 opens in two distinct open states, the intermediate-open (IO) and activated-open (AO) states, following a two-step voltage sensing domain (VSD) activation process. We found that the AO state, but not the IO state, is responsible for the adrenalin response. Modulators that specifically enhance the AO state occupancy can enhance adrenalin responses of the WT and LQT-associated mutant channels. These results reveal a mechanism of state dependent modulation of ion channels and provide an anti-arrhythmic strategy.

Abstract In response to membrane depolarization, the KCNQ1 potassium channel opens at the intermediate (IO) and activated (AO) states that correspond to the stepwise activation of the voltage sensing domain (VSD) to the intermediate (I) and activated (A) states. In the heart, KCNQ1 associates with the auxiliary subunit KCNE1 to form the I Ks channel that regulates heart rhythm. More than 300 of loss-of-function KCNQ1 mutations cause long QT syndrome (LQTS). KCNE1 suppresses the IO state so that the I Ks channel opens only to the AO state. Thus, enhancing AO state presents a potential therapy for anti-LQTS. Here, we systematically tested modulations of KCNQ1 channels by a KCNQ1 activator, ML277. It enhances the current amplitude, slows down activation, deactivation and inactivation kinetics, shifts the voltage dependence of activation to more positive voltages, decreases the Rb + /K + permeability ratio, and selectively increases currents of mutant KCNQ1 channels that open only to the AO state. All these observations are consistent with the mechanism that ML277 specifically potentiates the AO state. On the other hand, ML277 does not affect the VSD activation, suggesting that it potentiates the AO state by enhancing the electromechanical (E-M) coupling when the VSD moves to the activated state. Our results suggest that ML277 provides a unique tool to investigate the gating mechanism of KCNQ1 and I Ks channels. The specificity of ML277 to increase the AO state of native I Ks currents also suggests a new strategy for anti-LQTS therapy.

In voltage-gated potassium (KV) channels, the voltage-sensing domain (VSD) undergoes sequential activation from the resting state to the intermediate state and activated state to trigger pore opening via electro-mechanical (E-M) coupling. However, the spatial and temporal details underlying E-M coupling remain elusive. Here, we leverage KV7.1's unique two open states associated with the VSD adopting the intermediate and activated conformations to report a two-stage E-M coupling mechanism in voltage-dependent gating of KV7.1 as triggered by VSD activations to the intermediate and then activated state. When the S4 segment transitions to the intermediate state, the hand-like C-terminus of the VSD-pore linker (S4-S5L) interacts with the pore in the same subunit. When S4 then proceeds on to the fully-activated state, the elbow-like hinge between S4 and S4-S5L engages with the pore to activate conductance. This two-stage "hand-and-elbow" gating mechanism elucidates distinct tissue-specific modulations, pharmacology, and disease pathogenesis of KV7.1, and likely applies to numerous Kv channels.

Abstract Cardiac arrhythmias are the most common cause of sudden cardiac death worldwide. Lengthening the ventricular action potential duration (APD) either congenitally or via pathologic or pharmacologic means, predisposes to a life-threatening ventricular arrhythmia, Torsade de Pointes. IKs, a slowly activating K + current plays a role in action potential repolarization. In this study, we screened a chemical library in silico by docking compounds to the voltage sensing domain (VSD) of the I Ks channel. Here we show that C28 specifically shifted I Ks VSD activation in ventricle to more negative voltages and reversed drug-induced lengthening of APD. At the same dosage, C28 did not cause significant changes of the normal APD in either ventricle or atrium. This study provides evidence in support of a computational prediction of I Ks VSD activation as a potential therapeutic approach for all forms of APD prolongation. This outcome could expand the therapeutic efficacy of a myriad of currently approved drugs that may trigger arrhythmias. Significance statement C28, identified by in silico screening, specifically facilitated voltage dependent activation of a cardiac potassium ion channel, I Ks . C28 reversed drug-induced prolongation of action potentials, but minimally affected the normal action potential at the same dosage. This outcome supports a computational prediction of modulating I Ks activation as a potential therapy for all forms of action potential prolongation, and could expand therapeutic efficacy of many currently approved drugs that may trigger arrhythmias.

Abstract Receptor proteins sense stimuli and generate downstream signals via sensor and effector domains. Presently, the structural constraints on sensor-effector organization across receptor protein superfamilies are not clear. Here, we perform statistical coupling analysis (SCA) on the transient receptor potential (TRP) and voltage-gated potassium (Kv) ion channel superfamilies to characterize the networks of coevolving residues, or protein sectors, that mediate their receptor functions. Comparisons to structural and functional studies reveal a conserved “core” sector that extends from the pore and mediates effector functions, including pore gating and sensor-pore coupling, while sensors correspond to family-specific “accessory” sectors and localize according to three principles: Sensors (1) may emerge in any region with access to the core, (2) must maintain contact with the core, and (3) must preserve the integrity of the core. This sensor-core architecture may represent a conserved and generalizable paradigm for the structure-function relationships underlying the evolution of receptor proteins.