tobi

Non-conducting functions of
voltage-gated ion channels
Leonard Kaczmarek
Oktober 2006,
nature review neuroscience
Einführung :
Grundlagen für das Verständnis leitender
Funktionen von spannungsabhängigen
Ionenkanälen
• Klassifizierung von Ionenkanälen
• Gating
• Aktionspotential
• Alternatives Gating
Klassifizierung von Ionenkanälen
Kationenkanäle: hohe Selektivität (Namen!)
Ionenkanäle
Anionenkanäle: geringe Selektivität
spannungsabhängig (präsynaptisch)
Gating
ligandenabhängig (postsynaptisch)
Gating
• 2 Zustände von Ionenkanälen: offen u.
geschlossen
• Energie für Konformationsänderung
stammt bei den spannungsabh. Kanälen
aus der Änderung der Membranspannung
• Kaskade von Konformationsänderungen
Aktivierung <-> Deaktivierung
1.
2.
3.
Übertragung der Energie auf
Spannungssensor des Kanals
Bewegung des Sensors im
elektrischen Feld
Konsequenz: weitere
Konformationsänderungen
im Kanal
Resultat: Öffnung der Pore
In Nav-Kanälen geschieht dies in weniger als einer Millisekunde, bei KvKanälen dauert es deutlich länger: 10 bis ungefähr 70 ms.
Kanalinaktivierung (N-Typ)
• bei Nav-Kanälen und bei einigen Kv-Kanälen (ATyp-Kanäle)
• führt zur Unterbrechung des Ionenstroms
• Innerhalb weniger Millisekunden nach
Aktivierung
Weitere Mechanismen
C-Typ-Inaktivierung:
- Beruht auf Konformationsänderungen im
Bereich des Selektivitätsfilters
- unabh. aber beschleunigt durch N-TypInaktivierung
- besonders langsame Rückreaktion
Ruhepotential
• Nahe beim Gleichgewichtspotential für Kalium:
-70 mV
• Leitfähigkeit für Kalium über Kir-Kanäle oder 2P-Domänen Kaliumkanäle sichergestellt
Aktionspotential
I: Initiationsphase
II: Depolarisation
IIa: Aufstrich
IIb: Overshoot
III: Repolarisation
IV: Nachhyperpolarisation
Transiente
Änderung
des
Membranpotentials,
ausgelöst durch einen Reiz, der die Zelle über einen
Schwellenwert hinaus depolarisiert.
Depolarisation
• Stimulus depolarisiert Membranpotential bis
zum Schwellenwert
• Spannungsabhängige Natriumkanäle (Nav) öffnen
sich, Na+ strömt in die Zelle
• Kir-Kanäle (o. Ä.) werden inaktiviert
Repolarisation
• Inaktivierung der Nav-Kanäle
• Öffnen der Kv-Kanäle
Nachhyperpolarisation
• Ca2+-abhängige
Kaliumkanäle
• Konzentration wird
mit der Zeit gesenkt
alternatives Gating
Ionenkanäle können durch versch. Signale
geöffnet bzw. verschlossen werden:
- intrazelluläre Messenger
- Proteine
- mechanische Spannung
- Wärme/Kälte
- kleinmolekulare Porenblocker
Intrazelluläre Messenger
• ATP an 2-Segment-Kalium-Kanälen (A)
• cAMP und cGMP an HCN- und CNG-Kanälen (B)
Andere über: pH, oder Ca2+
HCN-Kanäle
• nicht-selektive Kationenkanäle
• verantwortlich für Ih-Strom
• Langzeitbahnung der synapt. Antworten,
Ausschüttung von Neurotransmittern über
mehrere Stunden
• Initiieren Langzeitbahnung
physikalische Faktoren
• Umgebungsqualitäten (Kälte, Wäreme,
mechanische Zugkraft und Osmolarität)
können in Kanalgating umgesetzt werden.
-> hierfür verantwortlich: TRP-Kanäle
Nichtleitende Funktionen
spannungsabhängiger Ionenkanäle
Gliederung
- Einführung: altes und neues Verständnis
- Kaliumkanäle
- Natriumkanäle
- Calciumkanäle
- TRP – Kanäle
- Nichtleitende Funktionen von Ionenkanälen und Krankheiten
- Fazit
Einführung: altes und neues Verständnis
- primäre Funktion spannungsabhängiger Ionenkanäle:
Erzeugung verschiedener Typen von Feuermustern für
Informationsprozessierung und motorische Outputs
- Modulierbarkeit (enzymatisch) ermöglicht Anpassung elektrischer Eigenschaften des Neurons an die Inputsituation
Diese Modulation wird üblicherweise als einseitiger Prozess
betrachtet, bei welchem die Ionenkanäle als passive Elemente
verändert werden
- aktuell (bis Okt. 2006) :
Hinweise auf direkte Beeinflussung biochemischer Ereignisse
in Zellen durch Ionenkanäle ohne (direkte) Notwendigkeit
der leitenden Funktion als Ionenkanal
- direkte Aktivierung von Enzymen intrazellulärer Signalwege
- Funktion als Adhäsionsmoleküle oder Komponenten des
Cytoskelettes
- Regulation der Expression bestimmter Gene
methodische Grundlagen und Ergebnisse zitierter Studien :
- Deletion (/Knockout) / Überexpression / Transfektion
 verändert Zelleigenschaften auf Arten, die nicht durch
bloße Veränderung der Erregbarkeit erklärt werden können
- Untersuchungen mit nichtleitenden Mutanten
 gleiche Effekte
- vom Ionenfluss unabhängige Funktionen bestimmter
Untereinheiten gefunden
Kaliumkanäle
-erhöhte Expression / Aktivität in Tumorzellen
 Hinweis auf Zell-regulative Funktionen
- Transfektion in Gliazellen / nicht- neuronale Zellen :
Initiierung / Beschleunigung der Zellproliferation
These: direkter Einfluss auf cytoplasmatische und
nukleare Signalwege
Kv10.1 K+ - Kanal (EAG)
- bisher als weitgehend typisch für synaptische Enden von
Neuronen betrachtet
- Drosophila melanogaster mit eag – knockout :
Habituation und assoziatives Lernen verändert
Besondere Eigenschaften der cytoplasmatischen Domänen:
- Drosophila: EAG bindet eine Kinase (CaMKII; α- UE), was zu
deren konstitutiver Aktivierung führt
- (C)- Terminus : nuclear localization signal
- (N) – Terminus: PAS – Domäne (bei anderen Proteinen
regulativer Einfluss auf Transkription
und Proteinkinase Aktivität)
Beteiligung des Spannungssensors an regulativen Einflüssen:
- Beeinflussung der Aktivität des Signalweges der
Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK)
- Transfektionsexperimente mit Fibro- / Myoblasten:
Erhöhung von Zelldichte und DNA –Synthese unter
gesteigerter Aktivität der p38 MAPK; unabhängig
von der Leitfähigkeit des EAG, aber abhängig von
Gating – Zustand des Kanals !
Einfluss des Gatingzustandes auf regulative Funktionen
des EAG - Kanals
- Verwendung von Mutanten, bei welchen die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung in den Bereich negativer Potentiale
verlagert ist
 Kanal dauerhaft geöffnet
- Folge : Blockade des proliferativen Effekts
 EAG Kanal muss sich zur Aktivierung der p38MAPK
im geschlossenen Zustand befinden
[Beleg für die Unabhängigkeit des Effekts vom
Ionenfluss !]
Kv1.3 - Kanal
- u.a. im Hippocampus und bulbus olfactorius exprimiert
- besondere Eigenschaft: zeigt bei wiederholter Depolarisation
kumulative Inaktivierung
(K+ - Kanäle: Repolarisation )
 zeitliche Ausdehnung von AP; erhöhte Erregbarkeit bei
wiederholter Stimulation des Neurons
Effekte der Aktivität des KV1.3 – Kanals auf Zellproliferation
-in Transfektionsexperimenten vom Ionenstrom durch den
Kanal abhängig gewesen ! (Porenmutanten /K+-Ionophore)
-In vivo – Hinweise : neben Beeinflussung des Membranpotentials und K+ - Strom weitere Aspekte
relevant
Experimente mit Kv1.3 knockout - Mäusen
- deutlich erhöhte Level von Signalmolekülen im
bulbus olfactorius
- niedrigere Konzentrationsschwelle für das Entdecken von
Duftstoffen
- erhöhte Fähigkeit zur Unterscheidung verschiedener Duftstoffe
- diese Effekte traten nicht beim Eliminieren anderer
K+ - Kanäle auf
 Ursache nicht auf bloße Veränderung der Membranerregbarkeit beschränkt
möglicher Mechanismus des spannungsunabhängigen Effektes :
- Kv1.3 in intakten Zellen eng mit β – Integrinen assoziiert
- diese regulieren Zell –Zell- Interaktionen, Zellwachstum
und -überleben
- spezifische Kv1.3 – Blocker heben die Assoziation mit
Integrinen auf
 Kv1.3 – Aktivität trägt vermutlich direkt zur Integrin –
Regulation bei
Koordination neuronaler Erregbarkeit
- Koordination der Expression von Genen für Kanäle bis
dato ungeklärt
aktuelle Studien :
- Expressionslevel von Kv4 – Kanälen beeinflusst Expression
eines anderen Kanals; dieser Effekt könnte vom Ionenfluss
unabhängig sein
- genauer Mechanismus noch unklar
Enzymatische Aktivität der β – Untereinheiten von Kv - Kanälen
- neben Assoziation von Kinasen (EAG;α- UE) häufig Bindung
zusätzlicher Untereinheiten gefunden
- einige dieser zusätzlichen UE zeigen enzymatische Aktivität
- möglicherweise vermitteln sie einige der Effekte von K+ Kanälen auf zelluläre Signalwege
Bsp.: Familie des K+ - Channel interacting protein (KChIP1-4)
- direkte Bindung an Kv4 α – UE, welche schnell
inaktivierende A-Typ Kaliumauswärtsströme erzeugen
 Beeinflussung von Amplitude und Kinetik der Kv4 –
Inaktivierung durch KChIP1-4
- ferner Funktion als Ca2+ -bindende Regulatoren von
Presenilinen (membranintegrale Spaltenzyme) und
Ca2+ - abhängige Transkriptionsfaktoren
Zusammenfassung: nichtleitende Funktionen von K+ - Kanälen
- direkter Einfluss auf cytoplasmatische und nukleare
Signalwege
- Effekte auf Signalübertragung können z.B. vom Gatingzustand
abhängen
- Effekte beeinflussen perzeptuelle / kognitive Fähigkeiten
durch Regulation verschiedener zellulärer Prozesse und
können darüber hinaus Ausbruch von Krankheiten begünstigen
Na+ - Kanäle
Na+ - Kanal β – Untereinheiten als Adhäsionsmoleküle
- CAMs (Cell Adhesion Molecules) mit kurzem cytoplasmatischem C – Terminus und langen extrazellulären Domänen
-vermitteln Zell – Zell – Adhäsion durch homo- oder heterotypische Interaktionen und Interaktionen mit Molekülen der
extrazellulären Matrix
- an der cytoplasmatischen Seite Bindung an Proteine,
welche ihrerseits mit dem Cytoskelett verbunden sind
(Ankyrin G undB)
 β – Untereinheiten ermöglichen Na+ - Kanälen eine
physikalische Verbindung des Cytoskeletts mit der
Oberfläche von Nachbarzellen
- vermutlich trägt diese Interaktion zur Ausbildung von
Axonhügeln und Ranvier´schen Schnürringen bei
(hohe Dichte von Na+ - Kanälen)
Einflüsse der Untereinheiten auf das Wachstum von Neuriten
- β1 – Untereinheiten können das Wachstum von Neuriten bei
dissoziierten Neuronen stimulieren
- β2
– Untereinheiten dagegen können die Länge von Neuriten
durch einen Effekt reduzieren, der durch α- oder β1- Untereinheiten aufgehoben werden kann
 nicht- leitende Funktionen von Na+ - Kanälen könnten
wichtige organisatorische Elemente der neuronalen
Entwicklung sein
Regulation von β –Untereinheiten der Na+ - Kanäle via Spaltung
- β –Untereinheiten werden kontinuierlich durch
proteolytische Spaltung umgesetzt
- möglicherweise reguliert Spaltung der extrazellulären und
anschließend der (C) – terminalen Domäne die Beteiligung
der β2 – Untereinheit an Prozessen der Zelladhäsion und
-migration
Ca2+-Kanäle
• Ca2+-Kanäle wohl am engsten
verschränkt mit zellulären
Ereignissen
• Wie kann es sein, dass versch.
Wege der Konzentrationserhöhung
von Ca2+, verschiedene Effekte auf
die Zelleigenschaften haben?
• Beispiel: Aktivierung des Ca2+Einstroms durch L-Typ Ca2+-Kanäle
der Cav-Familie, aktiviert die
MAPK-ERK-Signalkaskade. Dadurch
wird CREB, ein Transkriptionsfaktor aktiviert.
• elektromech. Kopplung in Skelettmuskelzellen
• Signal unabhängig vom Ionenfluss
• phys. Verbindung des Ca2+-Kanals mit RyanodinRezeptor
-> Reaktion als Kanal, aber auch als
Spannungssensor für Ryanodin-Rezeptor
• außerdem: Verbindung zwischen Ca2+Kanälen und dem Exocytose-Komplex
• Interaktion mit SNARE-Proteinen
-> enge Verbindung zwischen Vesikeln und
den Kanälen
• Hinweise, dass die physikalische Verbindung
Informationen über den Zustand der Kanäle zur
release site übertragen kann
• Ausschüttung von Neurotransmittern
unabhängig vom Ca2+-Einstrom
• Depolarisation der Membran führt zur
Konformationsänderung im Kanal und einer
Änderung der Aktivität der SNARE-Proteine
• Effekt kann verhindert werden durch
intrazelluläre Blockade der Bindung zwischen
Cav2.1-Kanälen und den SNARE-Proteinen
TRP-Kanäle
• nicht-selektive Kationenkanäle
• Einstellung des Ruhemembranpotentials,
regulieren Konzentrationen von Ca2+ und
Mg2+ in Neuronen und anderen Zellen
• Überexpression in Krebszellen
• TRP-Kanäle sind eingeteilt in sechs
Unterfamilien
• TRPP1 & 2 unterdrücken Zellproliferation
• In TRPM gibt es längere cytoplasmat. Cterminale Domänen als in den anderen
Unterfamilien
 Proteinkinaseaktivität bei TRPM6 & 7
(einzige Kanäle mit enzymatischer
Aktivität in einer porenbildenden a-UE)
Nichtleitende Funktionen von Ionenkanälen und Krankheiten
- Mutationen an Genen bestimmter Ionenkanäle können über
Veränderung der nichtleitenen Funktionen zu Veränderungen
der Intrazellulären Signalwege… führen
 diese führen schließlich zu Veränderungen in der
Organisation des Nervensystems
- Beispiele: Chorea Huntington (Na+ - Kanäle),
Schizophrenie (K+ - Kanäle)
Fazit
- Verständnis von nichtleitenden Funktionen spannungsabhängiger Ionenkanäle und deren Bedeutung immer noch
begrenzt
- trotz einiger klarer Beispiele insbesondere Kopplung an
Signalwege noch unklar
- konzeptionelles Problem:
In vielen Fällen könnte ein Ionenfluss für den biotischen
Effekt nötig sein
- Funktionen nichtleitender Eigenschaften von Ionenkanälen
könnten die Vielzahl an Genen (beachte ferner posttranskriptionale Modifikationen) für Ionenkanalproteine,
die Vielzahl von Kanälen mit geringen elektrischen Eigenschaften und das hohe Maß an Konservierung der Gene
erklären