Pentameriska ligandstyrda jonkanaler (pLGICs) är avgörande för omvandlingen av kemisk till elektrisk signalöverföring i djurs nervsystem. Dysfunktion i dessa kanaler har visat sig vara kopplad till flera sjukdomar inklusive epilepsi, schizofreni, Alzheimers och autism, vilket gör dem till en måltavla för en mängd olika läkemedel. Att studera eukaryota kanaler är dock mycket utmanande, så upptäckten av prokaryota homologer, som är mycket lättare att studera, har därmed bidragit mycket till förståelsen för struktur och funktion hos proteiner i denna familj. I detta projekt producerades och renades en prokaryotisk pLGIC kallad DeCLIC från Escherichia coli. Strukturell bestämning av kanalen genomfördes med användning av kryo-elektronmikroskopi vid lågt pH och i närvaro av kalcium. En elektrontäthet med 3.4 Å upplösning uppnåddes och jämfördes med tidigare bestämda strukturer vid olika förhållanden i ett försök att bestämma hur proteinets struktur moduleras av kalcium och pH. Resultaten visar flera skillnader i kanalens konformation i närvaro och frånvaro av kalcium såväl som vid olika pH-värden. Dessutom antyder analys av den bestämda elektrontätheten ett möjligt intermediärt tillstånd vid lågt pH i närvaro av kalcium. / Pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) are crucial for the conversion of chemical to electrical signaling in the nervous system of mammals. Dysfunction in these channels has been found to be connected to several diseases including epilepsy, schizophrenia, Alzheimer’s, and autism, making them the target of a wide variety of therapeutic agents. However, studying eukaryotic channels is challenging so the discovery of prokaryotic homologs that are much easier to study has thus greatly helped in the understanding of the structure and function in this family of proteins. In this project, a prokaryotic pLGIC called DeCLIC was produced and purified from Escherichia coli. Structural determination of the channel was pursued using cryo-electron microscopy at a low pH and in the presence of calcium. An electron density at 3.4 Å resolution was achieved and compared to previously determined structures at different conditions in an attempt to determine the structural modulation of calcium and pH. Results show multiple differences in channel conformation in the presence and absence of calcium as well as in different pH conditions. Furthermore, analysis of the determined electron density suggests a possible intermediate state at low pH in the presence of calcium.

Ligand-gated ion channels play an important role in electrochemical signal transduction across diverse organisms, yet their structural and functional intricacies are not fully understood. Particularly lacking is the knowledge of their response to variations in pH, an aspect necessary for understanding their physiological relevance and potential therapeutic targeting in neurological diseases. In this thesis project, I have investigated the mechanistic response of sTeLIC, a recently reported prokaryotic member of the pentameric ligand-gated ion channel family, to different environmental conditions. Using molecular dynamics simulations, a total of 16 different environmental conditions have been explored including variations in pH (neutral and alkaline), the presence and absence of calcium, and the inclusion of an electric field acting as an external driving force on charged atoms. The results reveal a comprehensive pH-sensing and gating mechanism involving key residues, notably E106 (on the β6 strand) and E160 (on loop F), and their local microenvironments. Additionally, an inhibitory mechanism for calcium is proposed, with E160 playing an important role. The simulations including an electric field has provided support for a non-conventional ion pathway through the pore. Collectively, these results offer insights into a mechanistic framework that may extend to other physiologically relevant systems, providing a foundation for further investigations and potential future therapeutic intervention. / pLGICs har en viktig roll i det elektrokemiska signalsystemet i många organismer, men detaljerna i deras struktur och framför allt funktion är fortfarande inte helt klargjorda. Särskilt är detaljerna kring deras reaktion på ändringar i pH-värde relativt okända, vilket är en viktig del i att förstå kanalernas fysiologiska roll och för att potentiellt hitta läkemedel mot neurologiska sjukdomar där dessa är inblandade. I det här arbetet har jag undersökt hur sTeLIC, som är ett nyligen publicerat bakteriellt protein i familjen pLGICs, reagerar på olika ändringar i miljön. Jag har använt molekyldynamiksimuleringar för att unders öka 16 olika miljöer med två olika pH-värden (neutralt och alkaliskt), med eller utan kalcium samt med eller utan en extern drivkraft över membranet i form av ett elektrisk fält. Arbetet har resulterat i en föreslagen mekanism förhur sTeLIC känner av pH och hur öppningen av kanalen går till. Denna mekanism involverar aminosyrorna E106, som finns på β6-strängen, och E160, som finns på F-loopen, samt deras omgivning. Dessutom har en modulatorisk mekanism föreslagits för en kalciuminhiberande effekt på sTeLIC som också involverar E160. Simuleringarna med en drivkraft över membranet har gett stöd för en ny väg för joner genom kanalen. Tillsammans ger dessa resultat insikt i en mekanism som eventuellt kan appliceras p ̊a andra system. Detta har lagt grunden för fortsatt undersökning som potentiellt kan leda till framtida läkemedelsutveckling inom området.