Einfluss der Beta-Untereinheiten hKCNE1-3 auf die pH-Sensibilität und Pharmakologie des Kaliumkanals hKCNQ1

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	29 October 2009
Referee:	Richard (Prof. Dr.) Warth
Date of exam:	20 October 2009
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Physiologie > Prof. Dr. Richard Warth
Keywords:	Kaliumkanal , Pharmakologie , KCNQ1 , KCNE , Beta-Untereinheiten , pH-Sensitivität , Chimären , KCNQ1 , KCNE , beta subunits , ph sensitivity , potassium channel
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 610 Medical sciences Medicine
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	12352

Abstract (German)

Der Kaliumkanal KCNQ1 weist relativ hohe Expressionsraten in ganz unterschiedlichen Geweben auf. Um die jeweiligen funktionellen Anforderungen zu erfüllen, assoziiert er mit spezifischen KCNE-Beta-Untereinheiten, welche die biophysikalischen Eigenschaften sowie die Pharmakologie des resultierenden Kanalkomplexes modulieren können. Vor kurzem wurde KCNE2 als die akzessorische Beta-Untereinheit von ...

Abstract (German)

Der Kaliumkanal KCNQ1 weist relativ hohe Expressionsraten in ganz unterschiedlichen Geweben auf. Um die jeweiligen funktionellen Anforderungen zu erfüllen, assoziiert er mit spezifischen KCNE-Beta-Untereinheiten, welche die biophysikalischen Eigenschaften sowie die Pharmakologie des resultierenden Kanalkomplexes modulieren können. Vor kurzem wurde KCNE2 als die akzessorische Beta-Untereinheit von KCNQ1 in den Parietalzellen der Magenschleimhaut identifiziert. Neben der bereits bekannten Umwandlung des genuin spannungsabhängigen Kanals in einen konstitutiv offenen, spannungsunabhängigen Zustand, geht diese Assoziation mit einer Umkehr der pH-Regulation einher. Die Hemmung der homomeren KCNQ1-Kanäle während einer extrazellulären pH-Erniedrigung wird durch Koexpression mit KCNE2 in eine Aktivierung verändert.

Die vorliegende Arbeit erweitert den bisherigen Kenntnisstand über die Funktionen der KCNE-Untereinheiten um folgende Aspekte:

- Trotz KCNE2-ähnlicher Modulation der biophysikalischen Eigenschaften bewirkt eine Assoziation mit KCNE3 im Gegensatz zu KCNE2 eine komplette Aufhebung der pHRegulation. Untersuchungen an chimären Konstrukten aus den beiden Untereinheiten deuten darauf hin, dass wahrscheinlich der N-Terminus von KCNE2 als pH-Sensor fungiert. Allerdings scheint auch die KCNE2-Transmembrandomäne eine essentielle Rolle bei der Vermittlung der Säureaktivierung zu spielen.

- Beim kardialen Kanalkomplex KCNQ1/KCNE1 führt eine extrazelluläre Azidifizierung nicht � wie bisher beschrieben � zu einer Hemmung des Stromes, sondern zu einer Aktivierung. Diese erfolgt durch Transformation des spannungsabhängigen, langsam aktivierenden Kanals in eine bisher nicht für möglich gehaltene, konstitutiv offene Form. Offensichtlich werden die biophysikalischen Eigenschaften der KCNQ1-Kanäle zwar von den KCNE-Untereinheiten moduliert, können aber vom pH-Wert und möglicherweise auch von anderen, noch unbekannten Faktoren dynamisch verändert werden.

- Pharmakologische Untersuchungen ergaben, dass die Empfindlichkeit für Pharmaka von den KCNE-Untereinheiten abhängt und für einzelne Hemmsubstanzen hohe Spezifität für bestimmte heteromere KCNQ1-Kanäle beobachtet werden kann.

In Anbetracht der häufigen kardiovaskulären Erkrankungen, die mit Ischämie und Azidose einhergehen, erscheint die pH-Regulation der kardialen KCNQ1/KCNE1-Kanäle besonders interessant. Ihre pathophysiologische Relevanz sollte daher in weiterführenden Experimenten am Nativgewebe und in vivo eingehender untersucht werden.

Translation of the abstract (English)

Background/Aims: Heteromeric KCNEx/KCNQ1 K+ channels are important for repolarization of cardiac myocytes, endolymph secretion in the inner ear, gastric acid secretion, and transport across epithelia. They are modulated by pH in a complex way: homomeric KCNQ1 is inhibited by external acidification(low pHe); KCNE2/KCNQ1 is activated; and for KCNE1/KCNQ1, variable effects have been reported. ...

Translation of the abstract (English)

Background/Aims: Heteromeric KCNEx/KCNQ1 K+ channels are important for repolarization of cardiac myocytes, endolymph secretion in the inner ear, gastric acid secretion, and transport across epithelia. They are modulated by pH in a complex way: homomeric KCNQ1 is inhibited by external acidification(low pHe); KCNE2/KCNQ1 is activated; and for KCNE1/KCNQ1, variable effects have been reported. Methods: The role of KCNE subunits for the effect of pHe on KCNQ1 was analyzed in transfected COS cells and cardiac myocytes by the patch-clamp technique.

Results: In outside-out patches of transfected cells, hKCNE2/hKCNQ1 current was increased by acidification down to pH 4.5. Chimeras with the acid-insensitive hKCNE3 revealed that the extracellular N-terminus and at least part of the transmembrane domain of hKCNE2 are needed for activation by low pHe. hKCNE1/hKCNQ1 heteromeric channels exhibited marked changes of biophysical properties at low pHe: The slowly activating hKCNE1/hKCNQ1 channels were converted into constitutively open, non-deactivating channels.

Conclusion: External pH can modify current amplitude and biophysical properties of KCNQ1. KCNE subunits work as molecular switches by modulating the pH sensitivity of human KCNQ1.

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