FOR1086     K2P-Kanäle - vom Molekül zur Physiologie und Pathophysiologie

Projekte

# Projektleiter Ort Titel
P1 Baukrowitz, T. Kiel Mechanistischstrukturelle Aufklärung der Regulationsmechanismen in TREK-1 Kanälen
P2 Budde, T.
Meuth, S.G.
Münster Modulation, Funktion und neuroprotektives Potential von TASK und TRESK Kanälen im zentralen Nervensystem
P3 Decher, N. Marburg TASK Kanäle im Herzen und deren extrazelluläre Porenstruktur
P4
(beteiligt 2008-2011)
Köhler, R.
Hoyer, J.
Marburg Physiologische und pathophysiologische Bedeutung vaskulärer K2P-Kanäle
P5 Schulze-Bahr E. Münster Genetische Variation in K2P-Kanalgenen und kardiale Arrhythmieformen
P6 Warth, R. Bandulik S. Regensburg Bedeutung von TASK Kanälen für die Funktion der Nebennierenrinde und für die Regulation der Atmung
P7 Daut, J. Marburg Die Funktion und Signaltransduktion von TASK-1 und TREK-1 Kanälen im Herz-Kreislauf-System
P8 Oliver, D. Marburg Die Mechanismen der rezeptorabhängigen Regulation von TASK und TREK Kanälen
P9 Schwappach, B. Göttingen Mechanismen der Regulation des intrazellulären Transports von TASK-1 und TASK-3


P1    Prof. Dr. Thomas Baukrowitz

Mechanistischstrukturelle Aufklärung der Regulationsmechanismen in TREK-1 Kanälen

K2P Kanäle werden durch eine Vielzahl von Stimuli reguliert u.a. Druck, verschiedene anionische Lipide und ungesättigte Fettsäuren, Phosphorylierungen, Membranspannung und pH. Wie diese Mechanismen die Pore in K2P Kanälen öffnen bzw. schließen ist gegenwärtig wenig verstanden und ein Hauptanliegen dieses Antrages. In der vergangenen Antragsperiode haben wir hochaffine K2PKanalporenblocker identifiziert und mit deren Hilfe die Pore und die Schaltmechanismen in K2P Kanälen untersucht. Durch umfangreiche Mutagenese und Homologiemodellierung konnten wir ein funktionell validiertes Strukturmodell der TREK-1 Kanalpore etablieren. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass das Gate für den pH und Druck Aktivierungsmechanismus in TREK-1 Kanälen wahrscheinlich am Selektivitätsfilter lokalisiert ist und, dass das „helix-bundle-crossing Gate“ am intrazellulären Poreneingang in diesen Schaltmechanismen nicht genutzt wird (im Gegensatz zu z.B. Kir und Kv Kanälen). Mit Hilfe unserer bereits etablierten Werkzeuge (Cystein-Mutanten, Cysteinmodifikation, Porenblocker und Strukturmodelle) sollen die oben erwähnten Schaltmechanismen in TREK-1 und anderen K2P Kanälen (TRESK, TASK1, TASK-3) weiter untersucht und strukturell verstanden werden. Des Weiteren soll der Wirkmechanismus von bekannten K2P Inhibitoren (u.a. Antidepressiva/ Antipsychotika, Ca2+ Kanal Antagonisten, Lokalanästhetika und Antiarrhythmika) untersucht werden.

Mitarbeiter:
Dr. Hariolf Fritzenschaft Dr. Markus Rapedius Murali Krishna Bollepalli Paula Piechotta




P2    Prof. Dr. rer. nat. Thomas Budde / Dr. med. Dr. rer. nat. Sven G. Meuth

Modulation, Funktion und neuroprotektives Potential von TASK und TRESK Kanälen im zentralen Nervensystem

Bisher haben wir die funktionelle Bedeutung von TASK-1- und TASK-3-Kanälen in thalamokortikalen Schaltneuronen des Corpus geniculatum laterale pars dorsalis (CGLd) untersucht. Diese Zellen gelten zwar als prototypisch für Schaltneuronen allgemein, weisen jedoch nur ein moderates Expressionsniveau für TASK-Kanäle auf. Daher sollen in der neuen Antragsperiode gezielt thalamische Zelltypen mit besonders starker Expression bestimmter TASK-Kanäle analysiert werden. Für TASK-1 sind dies Zellen des centromedianen intralaminären Kernes (CM). Für TASK-3 sind dies Zellen des anterodorsalen Nucleus (AD). Diese Zellen könnten dann als prototypisch für Neuronen gelten, die spezifische TASK-Kanäle exprimieren. Weiterhin soll die Studie auf die bisher kaum verstandenen Interneuronen des CGLd, denen eine wichtige Funktion bei der Synchronisation thalamischer Aktivität zugeschrieben wird, und TRESK-Kanäle, die im Gehirn bisher wenig untersucht wurden, ausgedehnt werden. Um die sehr kleinen und seltenen Interneurone zuverlässig identifizieren zu können, sollen transgene GAD67-GFP-Mäuse eingesetzt werden. Das Einkreuzen von TASK-1- und TASK-3-KO-Mäusen, erlaubt die Analyse der spezifischen Kanalfunktion in Interneuronen. Pathophysiologische Veränderungen der Expression von K2P-Kanälen sollen in einem Mausmodell der menschlichen Absence-Epilepsie (Rückkreuzungen von C3H/HeJ-Mäusen) analysiert werden.

Mitarbeiter:
Pawan Bista Stefan Bittner Petra Ehling Manuela Cerina




P3  PD Dr. phil. nat. Niels Decher

TASK Kanäle im Herzen und deren extrazelluläre Porenstruktur

Wir haben bei der TASK-1 Knock-Out Maus ein LQT Syndrom mit Veränderungen im QRS-Komplex, eine beschleunigte Herzfrequenz sowie eine AV-überleitungsstörung identifiziert. über einen kardialen sowie einen Reizleitungssystem-spezifischen Knock-Out des TASK-1 Kanals möchten wir die Funktion des TASK-1 im Herzen und im Reizleitungssystem aufklären. Des Weiteren möchten wir den sinuatrialen TASK-1 Strom mit Hilfe der TASK-1 Knock-Out Maus und des spezifischen TASK-1 Blockers A1899 charakterisieren und aufklären, ob TASK-1 Kanäle neben der Reizleitung auch an der Erregungsbildung im Sinusknoten beteiligt sind. TASK-1 Kanäle weisen im extrazellulären M1-P1 Linker eine bisher nicht beschriebene ‚Coiled-Coil‘ Domäne auf, welche als extrazelluläre Dimerisierungs-Domäne für K2P-Kanäle dienen könnte. Unser Ziel ist es, durch Mutagenese-Studien und ‚Molecular Modelling‘ unter der Verwendung einer ‚Coiled-Coil‘ Domäne als Template, zu einem TASK-1 Homologie-Modell der extrazellulären Poren-Region zu gelangen. Im nächsten Schritt möchten wir die Bindungsstelle für K+ Ionen im extrazellulären Poren-Bereich des TASK-1 identifizieren und ein Modell der extrazellulären K+ Bindungsstelle erstellen.

Mitarbeiter:
Susanne Rinné Konstantin Wemhöner Anne-Kathrin Streit Michael F. Nette
Magdalena Walecki Franca Kempf Mathias Goldstein Diana Salek




P4    PD Dr. rer. nat. Ralf Köhler / Univ.-Prof. Dr. med. Joachim Hoyer (beteiligt 2008-2011)

Physiologische und pathophysiologische Bedeutung vaskulärer K2P-Kanäle

Das Gefäßendothel ist ein zentraler Regulator der Gefäßfunktion. Durch die Freisetzung von Botenstoffen wie NO, Prostaglandine oder EDHF steuert es den Gefäßtonus. Diese endothelialen Effektorsysteme sind in wesentlichen Schritten Ca2+-abhängig, so dass für eine intakte Endothelfunktion eine genaue Regulation der intrazellulären Ca2+-Homöostase durch Ca2+-permeable Ionenkanäle und des Membranpotentials durch hyperpolarisierende Kanäle unerlässlich ist. Insbesondere neuere Untersuchungen konnten durch die funktionelle Charakterisierung hyperpolarisierender Kaliumkanäle in ersten Ansätzen die Bedeutung der endothelialen Hyperpolarisation und des EDHF-Systems aufklären. Das vorliegende Projekt soll die weitere molekulare und mechanistische Charakterisierung von Kaliumkanälen vorantreiben und fokussiert auf die im Endothel neu identifizierten K2P-Kanäle als Teil eines endothelialen vasodilatatorischen Systems. Ein erstes Ziel des Projektes ist, K2P-Kanäle in der Gefäßwand zu identifizieren, funktionell zu charakterisieren und deren physiologische Funktionen für die Tonusregulation zu verstehen. Zweites Hauptziel des Projektes ist zu klären, ob veränderte K2P- Funktionen bei kardiovaskulären Erkrankungen pathomechanistisch relevant sind. Unsere Hypothese ist dabei, dass mechanosensitive und pH-sensitive K2P-Kanäle, insbesondere vom TREK-1-Typ, als eine protektive vasodilatatorische Reserve bei Hypertonie fungieren. In diesem Zusammenhang soll untersucht werden, ob K2P-Kanäle neue pharmakotherapeutische Zielstrukturen für eine antihypertensive Therapie sein könnten.



P5    Prof. Dr. med. Eric Schulze-Bahr

Genetische Variation in K2P-Kanalgenen und kardiale Arrhythmieformen

Genetische Veränderungen bei K2P-Kanalgenen sind bislang weitgehend unbekannt; jüngst wurden erste Genmutationen in familiärer Migräne mit Aura (KCNK18) und einem sehr seltenen, komplexen Missbildungssyndrom (Barel-Birk-Syndrom) (KCNK9) identifiziert, die eine Krankheitsrelevanz der Ionenkanalgruppe zu monogen-bedingten Erkrankungen zeigen. Unsere Untersuchungen der Pilotprojektphase legen nah, dass KCNK-Genmutationen eine neue, genetische Ursache von bislang wenig aufgeklärten Arrhythmie-Formen sein können. Eine klassische „Gain-of-function“-Mutation wurde als Ursache für Arrhythmien unklarer Genese identifiziert; zwei weitere, in Analyse befindliche Mutationen wurden interessanterweise im gleichen Phänotyp gefunden. Die in der ersten Förderperiode identifizierten Gen-Veränderungen sollen nun im vorliegenden Projekt funktionell biochemisch und elektrophysiologisch in Kooperation mit FOR1086 charakterisiert werden. Wir wollen weitere Patienten der identifizierten Krankheitsgruppen und neuer Gruppen analysieren, um eine umfassenderes Bild zur Rolle der Varianz kardial relevanter K2P-Kanalgene und ihrer funktionellen Auswirkung zu bekommen.

Mitarbeiter:
Dr. Birgit Stallmeyer Dr. Corinna Wewer




P6    Prof. Dr. Richard Warth / Dr. rer. nat.Sascha Bandulik

Bedeutung von TASK Kanälen für die Funktion der Nebennierenrinde und für die Regulation der Atmung

TASK-1- und TASK-3-Kanäle sind an wichtigen physiologischen Prozessen beteiligt. Sie beeinflussen beispielsweise entscheidend die Hormonproduktion der Nebennierenrinde und scheinen maßgeblich für die Chemorezeption und die Atmungsregulation zu sein. In der zweiten Antragsperiode möchten wir daher die Funktion und die mögliche Pathophysiologie von TASK-Kanälen in der Nebennierenrinde und bei der Atmungsregulation untersuchen:
- Welche Mechanismen liegen dem Hyperaldosteronismus von neonatalen TASK-3-Knockoutmäusen zugrunde? Sind diese Mechanismen generell von Relevanz für die Kontrolle der Aldosteronsekretion?
- Welche Funktion haben TASK-1- und TASK-3-Kanäle in nativen adrenalen Zellen? Wie ändern sich die Zelleigenschaften in Nebennieren-Slices, wenn TASK-Kanäle fehlen?
- Welche Auswirkungen hat die Inaktivierung von TASK-1- und TASK-3-Kanälen auf die Atmung der Maus? Könnte die Hemmung von TASK-Kanälen ein Ansatz zur Entwicklung von Therapien menschlicher Atmungsstörungen (z.B. Schlaf-Apnoe-Syndrom) sein?
Wir erhoffen uns durch die Bearbeitung dieser Fragen nicht nur tiefere Einblicke in die Pathophysiologie von TASK-Kanälen in der Nebenniere und bei der Atmung, sondern auch grundlegend neue Erkenntnisse zur Regulation des Steroidstoffwechsels und der Nebennierenentwicklung sowie zu deren Relevanz bei menschlichen Erkrankungen.

Mitarbeiter:
Philipp Tauber David Penton Ribas Ines Tegtmeier Christina Sterner




P7    Prof. Dr. med. Dr. phil. Jürgen Daut

Die Funktion und Signaltransduktion von TASK-1 und TREK-1 Kanälen im Herz-Kreislauf-System

Die Funktion der K2P-Kanäle TASK-1 und TREK-1 im Herz-Kreislauf-System soll untersucht werden. Beide Kanäle werden über G-Protein gekoppelte Rezeptoren reguliert. In Herzmuskelzellen der Ratte sollen mit Hilfe von Ganzzellstrom- und Einzelkanalmessungen die Mechanismen aufgeklärt werden, die der Regulation von TASK-1 und TREK-1 durch Endothelin, Noradrenalin, Angiotensin II oder Bradykinin zugrunde liegen. Das Ziel ist, die rezeptorspezifische Signaltransduktion und den Beitrag von TASK-1 und TREK-1 zum kardialen Aktionspotential und zu verstehen. Die Rolle von TREK-1 im Endothel soll durch Einzelkanalmessungen an intakten Endothelzellen der Aorta 'in situ' aufgeklärt werden. Darüber hinaus sollen die Mechanismen der Aktivierung endothelialer TREK-1 Kanäle durch Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffmonoxid und den Wachstumsfaktor VEGF analysiert werden. Das Ziel ist, die funktionelle Rolle der K2P-Kanäle im Endothel der Blutgefäße zu verstehen. Durch Vergleich der Eigenschaften der Kanäle in Herzmuskel- bzw. Endothelzellen mit den in heterologen Expressionssystemen gemessenen Eigenschaften sollen Rückschlüsse auf den Einfluss zellspezifischer supramolekularer Komplexe auf die Funktion von TASK-1 und TREK-1 gezogen werden.


P8    Prof. Dr. rer. nat. Dominik Oliver

Die Mechanismen der rezeptorabhängigen Regulation von TASK und TREK Kanälen

TASK- und TREK- sind K+-‚leak’-Kanäle welche beim Ruhepotential konstitutiv aktiv sind, jedoch durch eine Vielzahl von metabotropen Neurotransmitter- und Hormonrezeptoren reversibel inhibiert werden. Da diese Kanäle in vielen Neuronen und nicht-erregbaren Zellen das Membranpotential und das elektrische Signalverhalten bestimmen, führt ihre Inhibition zur Depolarisation und zur Veränderung des neuronalen Erregungsverhalten. Dies stellt ein wichtiges Prinzip der Neuromodulation und der Kontrolle von Sekretionsprozessen in endokrinen Zellen dar. Beide Kanaltypen werden durch die Aktivität von Rezeptoren inhibiert, welche über heterotrimere G-Proteine der Gq/11-Klasse koppeln. Die Mechanismen der Gq-vermittelten Kanal-Inhibition sind bisher nicht eindeutig identifiziert worden. In diesem Versuchsvorhaben sollen diese Mechanismen und die an der Inhibition beider Kanalklassen beteiligten Schritte innerhalb der Gq-vermittelten Signaltransduktionskaskade ermittelt werden. Dazu sollen neuartige molekulare Werkzeuge zur Manipulation und zur fluoreszenzoptischen Analyse intrazellulärer Signalwege in der lebenden Zelle eingesetzt werden, welche mit elektrophysiologischen Methoden zur Erfassung der Kanalaktivität kombiniert werden.

Mitarbeiter:
Dominik Oliver Christian_Halaszovich Bettina Wilke
Michael Leitner Moritz_Lindner


P9    Prof. Dr. Blanche Schwappach

Mechanismen der Regulation des intrazellulären Transports von TASK-1 und TASK-3

14-3-3-Proteine beeinflussen als Schaltproteine viele zelluläre Prozesse. Ein solcher Prozess ist die Zelloberflächenexpression von multimeren Membranproteinen, insbesondere von Ionenkanälen und Rezeptoren. Dabei wirken 14-3-3-Proteine antagonistisch zu Sortierungssignalen in den einzelnen Untereinheiten der betroffenen Membranproteine. Soweit bisher bekannt werden diese Sortierungssignale vom COPI-Versikelhüllkomplex erkannt. über diesen Mechanismus werden noch nicht vollständig prozessierte Membranproteine im endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat zurückgehalten, während korrekt assemblierte und phosphorylierte Multimere 14-3-3-Proteine binden und so den sekretorischen Pfad entlang zur Zelloberfläche transportiert werden können. K2P-Kaliumkanäle sind eine Klasse von Membranproteinen, deren phosphorylierungsabhängige Interaktion mit 14-3-3 für ihre Zelloberflächenexpression essenziell ist. Das Projekt soll strukturelle und mechanistische Aspekte der 14-3-3-Bindung an K2P-Kanäle beleuchten, indem die räumlichen Aspekte der Interaktion genauer untersucht werden. Weiterhin soll die molekulare Erkennung von Sortierungssignalen im C-Terminus der Kanäle aufgeklärt werden. Diese Motive unterscheiden sich von bekannten COPI-bindenden Motiven. Das Projekt wird K2P-Kaliumkanäle und assoziierte Proteine aus nativen Geweben biochemisch darstellen und zwecks Identifikation von neuen Interaktionspartnern aufreinigen. Eine gerichtete Quervernetzungstrategie soll eingesetzt werden, um die für die 14-3- 3-Bindung an K2P-Kanäle relevante Kinase(n) zu identifizieren.