Structure and function study of HCN1 channel by forming a lattice on the membrane

Abstract

Hyperpolarized-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels play complex and diverse roles in the regulation of neuronal and network excitability. Aberrant expression, trafficking, and post-translational modifications of HCN1 channels contribute to the experimental and human epilepsy, yet the structural basis underpinning the altered function is still unknown. To unravel the structure-function relationship of HCN1 channels in the native cellular environment, we utilized an optimized intein system to cross-link channels into a structured lattice on the membrane. The successful forming of HCN1 lattice on the membrane was evidenced by split GFP reconstitution and functionally characterized by electrophysiological recording. We subsequently generated membrane sheets suitable for structural EM analysis directly from cells expressing protein lattices by unroofing techniques. The membrane sheets were then fluorescent- and immunolabeled with GFP nanobody conjugated quantum dot, which allowed the detection of protein lattice for correlative light and electron microscopy experiments. Compared to structural studies in membrane mimetic environments, this study provides invaluable opportunities for in situ structural determination of membrane protein in the native membrane environment.

<strong>Struktur- und Funktionsstudie des HCN1-Kanals durch Bildung eines Gitters auf der Zellmembran</strong><br />HCN-Kanäle (Hyperpolarisationsaktivierte und zyklische Nukleotid-gesteuerten Kanäle) spielen eine wichtige und komplexe Rolle bei der Regulierung der Erregbarkeit von Neuronen und neuronalen Netzwerken. Fehler bei Expression, Membrantransport und posttranslationalen Modifikationen von HCN1-Kanälen können wesentlich zu der Entstehung experimenteller und humaner Epilepsien beitragen, allerdings ist die strukturelle Grundlage für diese veränderte Funktion bislang noch ungeklärt. Um die Beziehung zwischen Struktur und Funktion von HCN1-Kanälen in der nativen zellulären Umgebung zu untersuchen, wurde ein optimiertes Inteinsystem etabliert, um die Kanäle zu einem strukturierten Gitter auf der Zellmembran zu vernetzen. Die erfolgreiche Bildung der Proteingitter wurde durch Rekonstitution von gespaltenem GFP sowie funktionell durch elektrophysiologische Messungen charakterisiert. Anschließend haben wir Membranfragmente, die für die strukturelle EM-Analyse geeignet sind, direkt aus Zellen, die die Proteingitter exprimieren unter Verwendung der sogenannten "unroofing" Technik hergestellt. Die Membranfragmente wurden dann mit GFP-Nanoantikörper-konjugierten Quantenpunkten immunologisch und fluoreszent markiert. Dadurch wurde die Detektion der Proteingitter für die korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie ermöglicht. Im Vergleich zu Strukturstudien in membranmimetischen Umgebungen bietet diese Studie beachtliche Möglichkeiten für die in-situ Strukturbestimmung von Membranproteinen in der nativen Membranumgebung.