Functional and structural study of thermally activated TRP ion channels: The role evolutionarily conserved motifs in the TRPA1 modulation

Abstract

Ankyrin receptor TRPA1 is an ion channel widely expressed on primary afferent sensory neurons, where it acts as a polymodal sensor of nociceptive stimuli. Apart from pungent chemicals (e. g. isothiocyanates, cinnamaldehyde and its derivatives, acrolein, menthol), it could be activated by cold temperatures, depolarizing voltages or intracellular calcium ions. TRPA1 channel is a homotetramer in which each subunit consists of cytoplasmic N and C termini and a transmembrane region. The transmembrane part is organized into six alpha- helices connected by intra- and extracellular loops. The N terminus comprises a tandem set of 16 to 17 ankyrin repeats (AR), while the C terminus has a substantially shorter, dominantly helical structure. In 2015, a partial cryo-EM structure of TRPA1 was resolved; however, the functional roles of the individual regions of the receptor have not yet been fully understood. This doctoral thesis is concerned to elucidate the role of highly conserved sequence and structural motifs within the cytoplasmic termini and the S4-S5 region of TRPA1 in voltage- and chemical sensitivity of the receptor. The probable binding site for calcium ions that are the most important physiological modulators of TRPA1 was described by using homology modeling, molecular-dynamics simulations,...

Ankyrinový receptor TRPA1 je iontový kanál exprimovaný převážně na primárních aferentních senzorických neuronech, kde působí jako polymodální senzor pro bolestivé a dráždivé podněty. Kromě chemických látek (např. isothiokyanáty, skořicový aldehyd a jeho deriváty, akrolein, menthol) může být aktivován chladem, depolarizací membránového potenciálu nebo vápenatými ionty z intracelulární strany. Iontový kanál TRPA1 je homotetramerem podjednotek, jež jsou topologicky uspořádány do transmembránové oblasti a cytoplazmaticky orientovaných N- a C-konců. Transmembránová oblast je tvořena šesti alfa-helixy propojenými intra- a extracelulárními kličkami. N-konec receptoru se vyznačuje přítomností 16 až 17 ankyrinových repetic (AR), zatímco C-konec je výrazně kratší a má převážně helikální strukturu. Přesná struktura TRPA1 byla částečně rozřešena roku 2015 pomocí kryo-elektronové mikroskopie, avšak funkční úloha jednotlivých oblastí v polymodální aktivaci receptoru není prozatím plně objasněna. Předkládaná disertační práce se zabývá úlohou mezidruhově konzervovaných strukturních a sekvenčních motivů v cytoplazmatických koncích a v S4-S5 oblasti TRPA1 v napěťové a chemické citlivosti receptoru. Pomocí homologního modelování, molekulárně-dynamických simulací, bodové mutageneze a elektrofyziologických technik bylo...