Le canal calcique dépendant du voltage de type-T CaV3.2 joue un rôle important dans l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Le canal CaV3.2 partage une grande homologie structurale et fonctionnelle avec les canaux NaV. Ces deux types de canaux sont activés par de faibles dépolarisations membranaires et possèdent des cinétiques de temps d’activation et d’inactivation plus rapides que les canaux CaV de type-L. Les structures cristallines à haute résolution des canaux bactériens NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) et NaVRh (Zhang et al. 2012) suggèrent que l’hélice amphiphile S4S5 du domaine II peut être couplée avec les résidus de l’hélice S6 dans le domaine II ainsi qu’avec des résidus de l’hélice homologue dans le domaine adjacent, soit le domaine III, et ce, durant l’activation du canal. Pour déterminer les résidus fonctionnellement couplés, durant l’activation du canal CaV3.2, une analyse cyclique de doubles mutants a été effectuée par substitution en glycine et alanine des résidus clés entre l’hélice S4S5 du domaine II et le segment S6 des domaines II et III. Les propriétés biophysiques ont été mesurées à l’aide de la technique de « cut-open » sur les ovocytes. Les énergies d’activation ont été mesurées pour 47 mutations ponctuelles et pour 14 paires de mutants. De grandes énergies de couplage (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) ont été observées pour 3 paires de mutants introduites dans les IIS4S5/IIS6 et IIS4S5/IIIS6. Aucun couplage significatif n’a été observé entre le IIS4S5 et le IVS6. Nos résultats semblent démontrer que les hélices S4S5 et S6 provenant de deux domaines voisins sont couplées durant l’activation du canal calcique de type-T CaV3.2. / Voltage-activated T-type calcium channel CaV3.2 plays an important role in neuronal excitability and in pain perception. CaV3.2 channel bears a strong structural and functional homology with voltage-dependent NaV channels. In particular, these channels are activated by relatively small depolarization and display faster activation and inactivation kinetics than the L-type CaV channel. High-resolution crystal structures of bacterial NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) and NaVRh (Zhang et al. 2012) suggest that the amphiphilic helix S4S5 in Domain II may be coupled with S6 residues both in Domain II and in the adjacent Domain III during channel activation.To determine whether residues in the S4S5 helix of Domain II are functionally coupled with residues in the S6 helix in Domain II and Domain III during the voltage-dependent activation of CaV3.2, a double mutant cycle analysis was performed by introducing pairs of glycine and alanine residues in the S4S5 helix of Domain II and the S6 region of Domains II and III. Biophysical properties were measured with the cut-open oocyte technique. Activation gating was measured for 47 single mutants and 14 pairs of mutants. Strong coupling energies (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) were reported for 3 pairs of mutants introduced in IIS4S5/IIS6 and IIS4S5/IIIS6. No significant coupling was observed between IIS4S5 and IVS6. Altogether, our results demonstrate that the S4S5 and S6 helices from neighboring domains are energetically coupled during the activation of the low voltage-gated T-type CaV3.2 channel.

Le canal calcique dépendant du voltage de type-T CaV3.2 joue un rôle important dans l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Le canal CaV3.2 partage une grande homologie structurale et fonctionnelle avec les canaux NaV. Ces deux types de canaux sont activés par de faibles dépolarisations membranaires et possèdent des cinétiques de temps d’activation et d’inactivation plus rapides que les canaux CaV de type-L. Les structures cristallines à haute résolution des canaux bactériens NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) et NaVRh (Zhang et al. 2012) suggèrent que l’hélice amphiphile S4S5 du domaine II peut être couplée avec les résidus de l’hélice S6 dans le domaine II ainsi qu’avec des résidus de l’hélice homologue dans le domaine adjacent, soit le domaine III, et ce, durant l’activation du canal. Pour déterminer les résidus fonctionnellement couplés, durant l’activation du canal CaV3.2, une analyse cyclique de doubles mutants a été effectuée par substitution en glycine et alanine des résidus clés entre l’hélice S4S5 du domaine II et le segment S6 des domaines II et III. Les propriétés biophysiques ont été mesurées à l’aide de la technique de « cut-open » sur les ovocytes. Les énergies d’activation ont été mesurées pour 47 mutations ponctuelles et pour 14 paires de mutants. De grandes énergies de couplage (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) ont été observées pour 3 paires de mutants introduites dans les IIS4S5/IIS6 et IIS4S5/IIIS6. Aucun couplage significatif n’a été observé entre le IIS4S5 et le IVS6. Nos résultats semblent démontrer que les hélices S4S5 et S6 provenant de deux domaines voisins sont couplées durant l’activation du canal calcique de type-T CaV3.2. / Voltage-activated T-type calcium channel CaV3.2 plays an important role in neuronal excitability and in pain perception. CaV3.2 channel bears a strong structural and functional homology with voltage-dependent NaV channels. In particular, these channels are activated by relatively small depolarization and display faster activation and inactivation kinetics than the L-type CaV channel. High-resolution crystal structures of bacterial NaVAb (Payandeh et al. 2011; Payandeh et al. 2012) and NaVRh (Zhang et al. 2012) suggest that the amphiphilic helix S4S5 in Domain II may be coupled with S6 residues both in Domain II and in the adjacent Domain III during channel activation.To determine whether residues in the S4S5 helix of Domain II are functionally coupled with residues in the S6 helix in Domain II and Domain III during the voltage-dependent activation of CaV3.2, a double mutant cycle analysis was performed by introducing pairs of glycine and alanine residues in the S4S5 helix of Domain II and the S6 region of Domains II and III. Biophysical properties were measured with the cut-open oocyte technique. Activation gating was measured for 47 single mutants and 14 pairs of mutants. Strong coupling energies (ΔΔGinteract > 2 kcal mol-1) were reported for 3 pairs of mutants introduced in IIS4S5/IIS6 and IIS4S5/IIIS6. No significant coupling was observed between IIS4S5 and IVS6. Altogether, our results demonstrate that the S4S5 and S6 helices from neighboring domains are energetically coupled during the activation of the low voltage-gated T-type CaV3.2 channel.

Coiled coils are a well-known protein structure prevalent in eukaryotic function, synthetic applications, and de novo protein design. Coiled-coil folding is often described using heptad repeat positions labeled abcdefg where a and d positions occupy the interface between the coils, e and g positions flank the interface, and the b, c, and f positions face the solvent-exposed surface. The a, d, e, and g positions have been extensively studied in the coiled-coil literature. There is a lack of investigation on the impact of the b, c, and f positions on coiled-coil folding. Chapter 1 is an introduction to the heptad repeat of coiled coils and the impact on folding of each heptad repeat position. In Chapter 2 we introduce a non-covalent interaction among the b, c, and f positions of a coiled-coil trimer that significantly enhances thermodynamic stability. We identify characteristics of the f-position residue (hydrogen bond donating ability and hydrophobicity) that lead to the greatest amount of stability. Chapter 3 introduces crystal structures and molecular dynamic simulations of the interaction to identify the mechanism of stabilization. Further thermodynamic studies find a key salt-bridge interaction between the b and c positions that are influenced by the f-position residue. Chapter 4 explores the impact of salt on the non-covalent interaction and determines that the interaction is sensitive to salt screening and is ionic in nature. It also explores more characteristics of the f-position amino acid, in particular the hydrogen bond donating component. In Chapter 5 we insert the solvent-exposed interaction into helix bundles of differing length and oligomeric state. We find that stability is not only dependent upon amino acid identity but also the length and stoichiometry of a coiled coil.

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3. / Voltage dependent calcium channels share a strong structural homology with voltage gated potassium channels. Both families present a conserved series of charged residues present in the S4 helix of each domain that most certainly accounts for the voltage sensitivity of these proteins. Moreover, in both cases, the S6 helices seem to be lining up the pore. How does the movement of the S4 sensors translate into channel opening remains elusive in Ca2+ channels. Following the publication of the crystal structure of the Kv1.2 channel in 2005, the group of Roderick MacKinnon proposed that the voltage sensor is mechanically coupled to the S6 pore through the amphipathic S4-S5 helix that crosses over the S6 inner helix from the same subunit. To determine if the S4-S5 linker, that runs parallel to the membrane plane inside the cell in the Kv1.2 three-D structure, plays a role in the activation of the CaV2.3 calcium channel, we have studied by double mutant cycle analysis the coupling between the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II of this channel. The activation energies, Gact, obtained from classical two electrode voltage clamp experiments in the presence of auxiliary subunits CaV2 and CaV3 displayed significant activation coupling coefficients for the pairs of residues V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, and S602G/I701G. None of these pairs displayed significant coupling in the inactivation mechanism, suggesting that the effects observed were specific to activation. Altogether, our results strongly suggest that the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II are actively involved in the activation of CaV2.3.

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3. / Voltage dependent calcium channels share a strong structural homology with voltage gated potassium channels. Both families present a conserved series of charged residues present in the S4 helix of each domain that most certainly accounts for the voltage sensitivity of these proteins. Moreover, in both cases, the S6 helices seem to be lining up the pore. How does the movement of the S4 sensors translate into channel opening remains elusive in Ca2+ channels. Following the publication of the crystal structure of the Kv1.2 channel in 2005, the group of Roderick MacKinnon proposed that the voltage sensor is mechanically coupled to the S6 pore through the amphipathic S4-S5 helix that crosses over the S6 inner helix from the same subunit. To determine if the S4-S5 linker, that runs parallel to the membrane plane inside the cell in the Kv1.2 three-D structure, plays a role in the activation of the CaV2.3 calcium channel, we have studied by double mutant cycle analysis the coupling between the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II of this channel. The activation energies, Gact, obtained from classical two electrode voltage clamp experiments in the presence of auxiliary subunits CaV2 and CaV3 displayed significant activation coupling coefficients for the pairs of residues V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, and S602G/I701G. None of these pairs displayed significant coupling in the inactivation mechanism, suggesting that the effects observed were specific to activation. Altogether, our results strongly suggest that the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II are actively involved in the activation of CaV2.3.