Leonard KaczmarekLeonard Kaczmarek
Oktober 2006,Oktober 2006,
nature review neurosciencenature review neuroscience
Non-conducting functions ofvoltage-gated ion channelsNon-conducting functions ofvoltage-gated ion channels
Einführung :Einführung :
Grundlagen für das Verständnis leitenderFunktionen von spannungsabhängigenIonenkanälen
•Klassifizierung von Ionenkanälen•Klassifizierung von Ionenkanälen
•Gating•Gating
•Aktionspotential•Aktionspotential
•Alternatives Gating•Alternatives Gating
IonenkanäleIonenkanäle
Kationenkanäle: hohe Selektivität (Namen!)Kationenkanäle: hohe Selektivität (Namen!)
Anionenkanäle: geringe SelektivitätAnionenkanäle: geringe Selektivität
GatingGating
spannungsabhängig (präsynaptisch)spannungsabhängig (präsynaptisch)
ligandenabhängig (postsynaptisch)ligandenabhängig (postsynaptisch)
Klassifizierung von Ionenkanälen
GatingGating
•2 Zustände von Ionenkanälen: offen u.geschlossen•2 Zustände von Ionenkanälen: offen u.geschlossen
•Energie für Konformationsänderungstammt bei den spannungsabh. Kanälenaus der Änderung der Membranspannung•Energie für Konformationsänderungstammt bei den spannungsabh. Kanälenaus der Änderung der Membranspannung
•Kaskade von Konformationsänderungen•Kaskade von Konformationsänderungen
Aktivierung <-> DeaktivierungAktivierung <-> Deaktivierung
1.Übertragung der Energie aufSpannungssensor des Kanals1.Übertragung der Energie aufSpannungssensor des Kanals
2.Bewegung des Sensors imelektrischen Feld2.Bewegung des Sensors imelektrischen Feld
3.Konsequenz: weitereKonformationsänderungenim Kanal3.Konsequenz: weitereKonformationsänderungenim Kanal
Resultat: Öffnung der PoreResultat: Öffnung der Pore
In Nav-Kanälen geschieht dies in weniger als einer Millisekunde, bei Kv-Kanälen dauert es deutlich länger: 10 bis ungefähr 70 ms.In Nav-Kanälen geschieht dies in weniger als einer Millisekunde, bei Kv-Kanälen dauert es deutlich länger: 10 bis ungefähr 70 ms.
Kanalinaktivierung (N-Typ)Kanalinaktivierung (N-Typ)
•bei Nav-Kanälen und bei einigen Kv-Kanälen (A-Typ-Kanäle)•bei Nav-Kanälen und bei einigen Kv-Kanälen (A-Typ-Kanäle)
•führt zur Unterbrechung des Ionenstroms•führt zur Unterbrechung des Ionenstroms
•Innerhalb weniger Millisekunden nachAktivierung•Innerhalb weniger Millisekunden nachAktivierung
Weitere MechanismenWeitere Mechanismen
C-Typ-Inaktivierung:C-Typ-Inaktivierung:
-Beruht auf Konformationsänderungen imBereich des Selektivitätsfilters-Beruht auf Konformationsänderungen imBereich des Selektivitätsfilters
-unabh. aber beschleunigt durch N-Typ-Inaktivierung-unabh. aber beschleunigt durch N-Typ-Inaktivierung
-besonders langsame Rückreaktion-besonders langsame Rückreaktion
RuhepotentialRuhepotential
•Nahe beim Gleichgewichtspotential für Kalium:-70 mV•Nahe beim Gleichgewichtspotential für Kalium:-70 mV
•Leitfähigkeit für Kalium über Kir-Kanäle oder 2-P-Domänen Kaliumkanäle sichergestellt•Leitfähigkeit für Kalium über Kir-Kanäle oder 2-P-Domänen Kaliumkanäle sichergestellt
AktionspotentialAktionspotential
I: InitiationsphaseI: Initiationsphase
II: DepolarisationII: Depolarisation
IIa: AufstrichIIa: Aufstrich
IIb: OvershootIIb: Overshoot
III: RepolarisationIII: Repolarisation
IV: NachhyperpolarisationIV: Nachhyperpolarisation
Transiente Änderung des Membranpotentials,ausgelöst durch einen Reiz, der die Zelle über einenSchwellenwert hinaus depolarisiert.Transiente Änderung des Membranpotentials,ausgelöst durch einen Reiz, der die Zelle über einenSchwellenwert hinaus depolarisiert.
DepolarisationDepolarisation
•Stimulus depolarisiert Membranpotential biszum Schwellenwert•Stimulus depolarisiert Membranpotential biszum Schwellenwert
•Spannungsabhängige Natriumkanäle (Nav) öffnensich, Na+ strömt in die Zelle•Spannungsabhängige Natriumkanäle (Nav) öffnensich, Na+ strömt in die Zelle
•Kir-Kanäle (o. Ä.) werden inaktiviert•Kir-Kanäle (o. Ä.) werden inaktiviert
RepolarisationRepolarisation
•Inaktivierung der Nav-Kanäle•Inaktivierung der Nav-Kanäle
•Öffnen der Kv-Kanäle•Öffnen der Kv-Kanäle
NachhyperpolarisationNachhyperpolarisation
•Ca2+-abhängigeKaliumkanäle•Ca2+-abhängigeKaliumkanäle
•Konzentration wirdmit der Zeit gesenkt•Konzentration wirdmit der Zeit gesenkt
alternatives Gatingalternatives Gating
Ionenkanäle können durch versch. Signalegeöffnet bzw. verschlossen werden:Ionenkanäle können durch versch. Signalegeöffnet bzw. verschlossen werden:
-intrazelluläre Messenger-intrazelluläre Messenger
-Proteine-Proteine
-mechanische Spannung-mechanische Spannung
-Wärme/Kälte-Wärme/Kälte
-kleinmolekulare Porenblocker-kleinmolekulare Porenblocker
Intrazelluläre MessengerIntrazelluläre Messenger
•ATP an 2-Segment-Kalium-Kanälen (A)•ATP an 2-Segment-Kalium-Kanälen (A)
•cAMP und cGMP an HCN- und CNG-Kanälen (B)•cAMP und cGMP an HCN- und CNG-Kanälen (B)
Andere über: pH, oder Ca2+Andere über: pH, oder Ca2+
HCN-KanäleHCN-Kanäle
•nicht-selektive Kationenkanäle•nicht-selektive Kationenkanäle
•verantwortlich für Ih-Strom•verantwortlich für Ih-Strom
•Langzeitbahnung der synapt. Antworten,Ausschüttung von Neurotransmittern übermehrere Stunden•Langzeitbahnung der synapt. Antworten,Ausschüttung von Neurotransmittern übermehrere Stunden
•Initiieren Langzeitbahnung•Initiieren Langzeitbahnung
physikalische Faktorenphysikalische Faktoren
•Umgebungsqualitäten (Kälte, Wäreme,mechanische Zugkraft und Osmolarität)können in Kanalgating umgesetzt werden.•Umgebungsqualitäten (Kälte, Wäreme,mechanische Zugkraft und Osmolarität)können in Kanalgating umgesetzt werden.
-> hierfür verantwortlich: TRP-Kanäle-> hierfür verantwortlich: TRP-Kanäle
Nichtleitende Funktionenspannungsabhängiger IonenkanäleNichtleitende Funktionenspannungsabhängiger Ionenkanäle
GliederungGliederung
- Einführung: altes und neues Verständnis- Kaliumkanäle- Natriumkanäle- Calciumkanäle- TRP – Kanäle- Nichtleitende Funktionen von Ionenkanälen und Krankheiten
- Fazit
- primäre Funktion spannungsabhängiger Ionenkanäle: Erzeugung verschiedener Typen von Feuermustern für Informationsprozessierung und motorische Outputs
- Modulierbarkeit (enzymatisch) ermöglicht Anpassung elek- trischer Eigenschaften des Neurons an die Inputsituation
Diese Modulation wird üblicherweise als einseitiger Prozessbetrachtet, bei welchem die Ionenkanäle als passive Elementeverändert werden
Einführung: altes und neues Verständnis
- aktuell (bis Okt. 2006) :
Hinweise auf direkte Beeinflussung biochemischer Ereignissein Zellen durch Ionenkanäle ohne (direkte) Notwendigkeitder 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 Funktionendes EAG - Kanals
- Verwendung von Mutanten, bei welchen die Spannungsab- hängigkeit 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 Membranpo- tentials und K+ - Strom weitere Aspekte relevant
- deutlich erhöhte Level von Signalmolekülen im bulbus olfactorius
Experimente mit Kv1.3 knockout - Mäusen
- 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 Membran- erregbarkeit 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 cytoplasma- tischem C – Terminus und langen extrazellulären Domänen
-vermitteln Zell – Zell – Adhäsion durch homo- oder hetero- typische 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)
- 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- Unter- einheiten aufgehoben werden kann
Einflüsse der Untereinheiten auf das Wachstum von Neuriten
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+-KanäleCa2+-Kanäle
•Ca2+-Kanäle wohl am engstenverschränkt mit zellulärenEreignissen•Ca2+-Kanäle wohl am engstenverschränkt mit zellulärenEreignissen
•Wie kann es sein, dass versch.Wege der Konzentrationserhöhungvon Ca2+, verschiedene Effekte aufdie Zelleigenschaften haben?•Wie kann es sein, dass versch.Wege der Konzentrationserhöhungvon Ca2+, verschiedene Effekte aufdie Zelleigenschaften haben?
•Beispiel: Aktivierung des Ca2+-Einstroms durch L-Typ Ca2+-Kanäleder Cav-Familie, aktiviert dieMAPK-ERK-Signalkaskade. Dadurchwird CREB, ein Transkriptions-faktor aktiviert.•Beispiel: Aktivierung des Ca2+-Einstroms durch L-Typ Ca2+-Kanäleder Cav-Familie, aktiviert dieMAPK-ERK-Signalkaskade. Dadurchwird CREB, ein Transkriptions-faktor aktiviert.
•elektromech. Kopplung in Skelettmuskelzellen•elektromech. Kopplung in Skelettmuskelzellen
•Signal unabhängig vom Ionenfluss•Signal unabhängig vom Ionenfluss
•phys. Verbindung des Ca2+-Kanals mit Ryanodin-Rezeptor•phys. Verbindung des Ca2+-Kanals mit Ryanodin-Rezeptor
-> Reaktion als Kanal, aber auch alsSpannungssensor für Ryanodin-Rezeptor-> Reaktion als Kanal, aber auch alsSpannungssensor für Ryanodin-Rezeptor
•außerdem: Verbindung zwischen Ca2+-Kanälen und dem Exocytose-Komplex•außerdem: Verbindung zwischen Ca2+-Kanälen und dem Exocytose-Komplex
•Interaktion mit SNARE-Proteinen•Interaktion mit SNARE-Proteinen
-> enge Verbindung zwischen Vesikeln undden Kanälen-> enge Verbindung zwischen Vesikeln undden Kanälen
•Hinweise, dass die physikalische VerbindungInformationen über den Zustand der Kanäle zurrelease site übertragen kann•Hinweise, dass die physikalische VerbindungInformationen über den Zustand der Kanäle zurrelease site übertragen kann
•Ausschüttung von Neurotransmitternunabhängig vom Ca2+-Einstrom•Ausschüttung von Neurotransmitternunabhängig vom Ca2+-Einstrom
•Depolarisation der Membran führt zurKonformationsänderung im Kanal und einerÄnderung der Aktivität der SNARE-Proteine•Depolarisation der Membran führt zurKonformationsänderung im Kanal und einerÄnderung der Aktivität der SNARE-Proteine
•Effekt kann verhindert werden durchintrazelluläre Blockade der Bindung zwischenCav2.1-Kanälen und den SNARE-Proteinen•Effekt kann verhindert werden durchintrazelluläre Blockade der Bindung zwischenCav2.1-Kanälen und den SNARE-Proteinen
TRP-KanäleTRP-Kanäle
•nicht-selektive Kationenkanäle•nicht-selektive Kationenkanäle
•Einstellung des Ruhemembranpotentials,regulieren Konzentrationen von Ca2+ undMg2+ in Neuronen und anderen Zellen•Einstellung des Ruhemembranpotentials,regulieren Konzentrationen von Ca2+ undMg2+ in Neuronen und anderen Zellen
•Überexpression in Krebszellen•Überexpression in Krebszellen
•TRP-Kanäle sind eingeteilt in sechsUnterfamilien•TRP-Kanäle sind eingeteilt in sechsUnterfamilien
•TRPP1 & 2 unterdrücken Zellproliferation•TRPP1 & 2 unterdrücken Zellproliferation
•In TRPM gibt es längere cytoplasmat. C-terminale Domänen als in den anderenUnterfamilien•In TRPM gibt es längere cytoplasmat. C-terminale Domänen als in den anderenUnterfamilien
Proteinkinaseaktivität bei TRPM6 & 7(einzige Kanäle mit enzymatischerAktivität in einer porenbildenden -UE) Proteinkinaseaktivität bei TRPM6 & 7(einzige Kanäle mit enzymatischerAktivität in einer porenbildenden -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)
FazitFazit
- Verständnis von nichtleitenden Funktionen spannungsab- hängiger 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 posttran- skriptionale Modifikationen) für Ionenkanalproteine, die Vielzahl von Kanälen mit geringen elektrischen Eigen- schaften und das hohe Maß an Konservierung der Gene erklären