Skeletal muscle contraction relies on a finely coordinated process of excitation–contraction coupling, where an electrical signal leads to an eventual calcium release from the sarcoplasmic reticulum through the type-1 ryanodine receptor (RyR1). Disruption of RyR1 function is associated with severe human diseases, including malignant hyperthermia and congenital myopathies, underscoring its clinical importance. Despite extensive structural studies on isolated RyR1, it remains unclear how native membrane environments and inter-channel interactions regulate its gating mechanism in muscle cells.
In this thesis, electron cryomicroscopy structures of RyR1 embedded within native sarcoplasmic reticulum membranes under physiological ligand conditions at resolutions of 3.5 – 4.9 Å were determined. These structures have uncovered previously unrecognized structural rearrangements specific to native arrays, wherein RyR1 activation is driven predominantly by a ~7° rotation rather than large domain tilting observed in isolated channels. Direct corner-to-corner contacts between adjacent channels stabilize these rotational transitions, forming an intrinsic mechanical basis for cooperative, synchronized calcium release in muscle, also known as coupled gating. By resolving multiple defined functional states, including Apo, Primed intermediates, the fully-open Activated state, and a Ryanodine-locked state, key ligand-induced conformational changes underlying the channel activation sequence were identified.
Moreover, the results of this thesis provide structural insight into disease-linked RyR1 mutations localized precisely at inter-channel interfaces, offering molecular explanations for the pathological calcium leak observed in malignant hyperthermia and congenital myopathies. These findings fundamentally revise the RyR1 gating model, highlight the biological importance of receptor lattice organization, and offer new avenues for therapeutic targeting of RyR1-related muscle disorders.
Die Kontraktion der Skelettmuskulatur beruht auf einem fein koordinierten Prozess der Elektromechanische Kopplung, bei dem ein elektrisches Signal zur Freisetzung von Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum über den Ryanodin-rezeptor Typ 1 (RyR1) führt. Funktionsstörungen von RyR1 werden mit schweren Erkrankungen wie Maligner Hyperthermie und angeborenen Myopathien in Verbindung gebracht, was die klinische Bedeutung unterstreicht. Trotz umfangreicher Strukturstudien an isoliertem RyR1 ist unklar, wie native Membranumgebungen und Interaktionen zwischen Kanälen seinen Gating-Mechanismus in Muskelzellen regulieren.
In dieser Arbeit wurden elektronenkryomikroskopische Strukturen von RyR1, eingebettet in native Membranen des sarkoplasmatischen Retikulums, unter physiologischen Ligandenbedingungen bei einer Auflösung von 3.5 – 4.9 Å bestimmt. Diese Strukturen deckten bisher unerkannte strukturelle Umlagerungen auf, die spezifisch für native Arrays sind. Dabei wird die RyR1-Aktivierung überwiegend durch eine Rotation von ca. 7° und nicht durch die in isolierten Kanälen beobachtete Neigung großer Domänen gesteuert. Direkte Eck-zu-Eck-Kontakte zwischen benachbarten Kanälen stabilisieren diese Rotationsübergänge und bilden eine intrinsische mechanische Grundlage für die kooperative, synchronisierte Kalziumfreisetzung im Muskel, auch als gekoppeltes Gating bezeichnet. Durch die Auflösung mehrerer definierter Funktionszustände, darunter Apo, Primed-Intermediate, der vollständig geöffnete Aktivierte Zustand und ein Ryanodin-gesperrter Zustand, wurden wichtige ligandeninduzierte Konformationsänderungen identifiziert, die der Kanalaktivierungssequenz zugrunde liegen.
Darüber hinaus liefern die Ergebnisse dieser Arbeit strukturelle Einblicke in krankheitsassoziierte RyR1-Mutationen, die präzise an den Schnittstellen zwischen den Kanälen lokalisiert sind, und bieten molekulare Erklärungen für den pathologischen Kalziumverlust, der bei Maligner Hyperthermie und angeborenen Myopathien beobachtet wird. Diese Erkenntnisse revidieren das RyR1-Gating-Modell grundlegend, unterstreichen die biologische Bedeutung der Rezeptorgitterorganisation und eröffnen neue Wege für die therapeutische Behandlung RyR1-bedingter Muskelerkrankungen.
