Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen

Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen Helen C. Lai und Lily Y. Jan In: Nature, Juli 2006 / Vol. 7

Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen • Einleitung • Allgemeines • Position von Ionenkanälen in einem Neuron-Modell • Struktureller Aufbau von Kationenkanälen • Targeting der Kanäle zum Axon • Natrium-Kanäle (Nav) • Kalium-1-Kanal (Kv1) • KCNQ-Kanal (Kv7) • Kalium-3-Kanal (Kv3) • Targeting der Kanäle zu den Dendriten • HCN-Kanal • Kv2 – Kv4 • Verteilung von Calcium-Kanälen (Cav) • Zusammenfassung

Einleitung • Spannungsabhängige Ionenkanäle verant-wortlich für Generierung und Weiterleitung von Aktionspotentialen • diese sind nicht gleichmäßig im Neuron ver-teilt • Verschiedene Aufgaben in verschiedenen Bereichen • Wie gelangen die Kanäle zu ihrem Bestimmungsort?

Position der Ionenkanäle in einem Neuron-Modell

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen Zusammengesetzt entweder aus 1α-UE mit 4 Domänen oder aus 4 α-UE mit 1 Domäne

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen • Nav-Kanal: • - α-UE werden von 10 Genen codiert (Nav1.1- Nav1.9 und Nax) • 4 β-UE (β1, β2, β3, β4) mit 1 transmembr. Segment und 1 extrazellulärer Domäne

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen • Kv-Kanal: • α-UE werden von 40 Genen codiert • Unterteilung in 12 Familien (Kv1 bis Kv12) • Unterschiedliche Gene innerhalb einer • Familie: Kv1.1, Kv1.2, etc. • - Kanal-Diversität wird erhöht durch homo- • oder heterotetramere Kanäle aus Mix der • Unterfamilien • KChIP = Calcium bindendes Protein • DPPX = Dipeptidyl-Aminopeptidase • und Zelladhäsionsprotein

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen • HCN-Kation-Kanal: • = Hyperpolarisationsaktivierte, • durch zyklische Nukleotide gesteuerte • Kationen-Kanal • - Transmembrane Topologie wie Kv • nicht-selektiv; für Na+ und K+ durchlässig • Regulation durch Bindedomäne für • zyklische Nukleotide am C-Terminus

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen • Cav-Kanal: - α1-UE bildet die Ionenleitungspore • in vivo assoziiert mit mehreren zusätzlichen UE, • die Kanalfunktion und Expression beeinflussen • cytosolische β-UE • α2δ-Komplex nativer α1α2δβγ-Komplex • γ-UE

Targeting der Kanäle zum Axon • Mindestens drei Mechanismen für axonales Targeting: • Gezieltes Targeting: nach Austritt aus dem ER spezifischer Transport der Kanal-Proteine zu ihrer Zielbestimmung • Transzytose: Integration in die Zellwand, danach Endozytose und erneuter, gezielter Einbau in ein anderes Kompartiment • Selektive Retention: Anker-Proteine an bestimmten Stellen halten die Kanal-Proteine an diesem Ort fest

Kontrolliert: • Einsetzen der Aktionspotentiale bei AIS und Ranvier-Schnürringen • Rückausbreitung der Aktionspotentiale in die Dendriten Targeting der Kanäle zum Axon: Natrium-Kanäle

Targeting der Kanäle zum Axon: Natrium-Kanäle • β-Untereinheiten interagieren mit CAMs: • Contactin (selbst verankert in Membran) • Neurofascin-186 (Nf186) • Neuronal cell adhesion molecule (NrCAM) • Nf186 und NrCAM binden an Ankyrin G • Ankyrin G bindet durch βIV-spectrin an das Actin-Cytoskelett • Befunde: Während Zellent-wicklung zunächst Ankyrin G und CAMs vorhanden, dann erst Nav-Kanäle

Targeting der Kanäle zum Axon: Natrium-Kanäle • Nav-Kanäle interagieren auch selbst mit Ankyrin G über II-III-Schleife (hochkonservierte Aminosäuresequenz) • Weiteres Motiv sorgt für selektive Endozytose der Nav-Kanäle in somatodendritischen Bereichen • Annahme: Nav-Kanäle bei Entwicklung gleichmäßig verteilt • wenn Ankyrin G vorhanden: Ankettung der Nav-Kanäle • wenn kein Ankyrin G vor-handen: Endozytose

Kontrolliert: • Aktionspotential-Fortpflanzung • Beschränkung der Erzeugung von Aktionspotentialen • Ausschüttung von Neurotrans-mittern Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1)

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1)

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Interaktion mit Proteinkomplex (CASPR2-TAG1-4.1B), welcher für Anhäufung von Kv1 bei JXP sorgt (unklarer Mechanismus, u.U. über PDZ-Domäne)

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Interaktion mit 2 Proteinen (CASPR2 sowie TAG1), welche für Anhäufung von Kv1 sorgen (unklarer Mechanismus, u.U. über PDZ-Domäne) • Interaktion eines C-terminalen PDZ-Motivs mit PSD95 • PSD95 multimerisiert • wahrscheinlich Anhäufung und Verankerung der Kv1-Kanäle

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Interaktion mit 2 Proteinen (CASPR2 sowie TAG1), welche für Anhäufung von Kv1 sorgen (unklarer Mechanismus, u.U. über PDZ-Domäne) • Interaktion eines C-terminalen PDZ-Motivs mit PSD95 • PSD95 multimerisiert • wahrscheinlich Anhäufung und Verankerung der Kv1-Kanäle • N-terminale T1-Domäne spielt Vermittler zwischen Kv1 und Kvβ • Kvβ verantwortlich für axonales Targeting und Oberflächen-expression

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Drei bekannte Motive mit Einfluss auf Oberflächen-expression: • ER-Poren Retentions-Motiv • C-terminales VXXSL-Motiv wirkt als Exportsignal aus dem ER • C-terminales YXXΦ-Motiv wirkt als Endozytose-Signal

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Drei bekannte Motive mit Einfluss auf Oberflächen-expression: • ER-Poren Retentions-Motiv • C-terminales VXXSL-Motiv wirkt als Exportsignal aus dem ER • C-terminales YXXΦ-Motiv wirkt als Endozytose-Signal • Bindungsaffinität zu Cortacin, welches wiederum an Aktin bindet • Möglichkeit: Cortacin könnte das endozytische Motiv blocken und somit die Endozytose verhindern

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Proteine mit Beteiligung an der Expression aus dem ER zur Zellmembran: • Calnexin fördert Oberflächen-expression: wahrscheinlich über Kvβ

Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 1 (Kv1) • Proteine mit Beteiligung an der Expression aus dem ER zur Zellmembran: • Calnexin (ER-Chaperon) fördert Oberflächen-expression von Kv1.2: wahrscheinlich über Kvβ • SAP97 bindet an dasselbe PDZ-Motiv wie PSD-95 • Inhibition der Expression aus dem ER

Kontrolliert: • Ruhepotential • Reduzierte Erregbarkeit Ähnliche Bindung an Ankyrin G wie bei Nav-Kanälen Targeting der Kanäle zum Axon: KCNQ-Kanal (Kv7)

Kontrolliert: • Repolarisation • Erhalt einer hochfrequenten Feuerungsrate Wenig über Targeting bekannt, u.U. Ankyrin G von Bedeutung • Kontrolliert: • Repolarisation nach Aktions-potential • Erhalt hochfrequenter Aktions-potentiale Targeting der Kanäle zum Axon: Kalium-Kanal 3 (Kv3)

Kv-Kanäle und HCN-Kanläle kontrollieren: - regulieren dendrit. Erregbarkeit, Größe & zeitl. Verlauf von synapt. Potentialen durch Änderung des RP und des Input-Widerstands - Zeitlichen Ablauf - Ausmaß sich ausbreitender APs - AP-Rückübertagung an Dendriten Rückübertragung von AP: - Signalisiert Auftreten von neuer neuronaler Erregung - Hat Einfluss auf synaptische Formbarkeit → LTP (long-term potentiation) → LTD (long-term depression) LTD und LTD abhängig vom Zeitpunkt der Rückübertragung relativ zum synaptischen Input Targeting der Kanäle zu den Dendriten

Targeting der Kanäle zu den Dendriten HCN-Kanäle: → Dichtegradieneten entlang der Dendriten HCN3, HCN4: subcorticale Regionen HCN1: Neocortex, Hippocampus, Cerebrellum HCN2: im Gehirn weit verbreitet HCN1+2: im distalen Dendriten in räuml. Nähe bilden Homo- und Heteromere

Targeting der Kanäle zu den Dendriten HCN-Kanäle: CNBD: cyclic nucleotid-binding domain für Austritt aus ER MiRP1: Überexprimierung verursacht Zunahme der HCN2 Strömungsdichte Wechselwirkungen: TRIP8b: Expression reduziert Oberflächen- expression in vitro von HCN1-4 Filamin A: Verursacht Clustering von HCN1 und reduziert Stömungsdichte Tamalin (Gerüstprotein) S-SCAM (synaptische gerüstbildendes Protein) MINT2 (targeting von Glutamatrezeptoren zu postsynaptischen Stellen)

Targeting der Kanäle zu den Dendriten Kv-Kanäle: Kv2: bilden große Cluster im proxysomalen Dendriten Kv3: in Dendrit und Axon

Targeting der Kanäle zu den Dendriten Kv2.1: - Bilden Cluster (PRC notwendig) wenn sie IK unterliegen IK = delayed rectifier current; Kv-Kanal-Strömung, die nach Onset durch Depolarisierung verzögert vermittelt wird. - Neurotransmitter und neuronaler Stress lösen Dephosphorylierung der Cluster aus ( Calcineurin-abhängig) - Weil Kv-Kanäle langsam öffnen & schließen, reduzieren sie repetitives Spiking

Targeting der Kanäle zu den Dendriten Kv3.3: - Targeting abhängig von PDZ-Domäne am C-Terminus - Schwächen Reiz-Rückleitung vom Soma ab

Targeting der Kanäle zu den Dendriten Kv4: - Kv4.2 + KChIP2+4 in distalen Regionen pyramidaler Neurone - Kv4.3 + KChIP1 in somatodendrit. Regionen von Interneuronen des Hippocampus und Cortex - KChIPs binden an N-Terminus und rekonstituieren Ströme, die Form von APs, repetitives Spiking und Reiz-Rückleitung kontrollieren

Targeting der Kanäle zu den Dendriten • Kv4.2: • Filamin-bindende Region • (4 AS am C-Terminus) • - Di-Leucin-Motiv vermittelt Targeting • (16 AS am C-Terminus) • KIF17: Kinesin • am Transport zu Dendriten beteiligt • DPPX/DPP10: wie KChIP für • Kanalverkehr • KChIP1: bedarf Ca2+ um Trafficking • zu ermöglichen

Verteilung der Calcium-Kanäle (Cav) • Cav-Kanäle: • Regulation der Bewegung durch ER Retentionssignal in I-II-Loop der α-UE. Maskierung durch Binden der β-UE erlaubt Austritt aus ER. • Oberflächen-Expression-Regulation: • α-UE interagiert mit Cavβ1b oder Cavβ2a, • - PKB: Protein-Kinase-B-Weg (Ser574-Phosphorylierung von Cavβ2) • PKA: Interaktion einer Polyprolin-Sequenz mit Domäne II-III-Loop • Trafficking: • MIDAS: (metal-ion-dependant adhesion site) • ist eine Domäne in der α-UE

Zusammenfassung • Viele unterschiedliche Ionenkanäle im Neuron • Korrekte Ionenkanal-Verteilung für richtige Signalgebung unerlässlich • Viele verschiedene nachgewiesene und vermutete Protein-Interaktionen verantwortlich für optimale Verteilung: mehrere, z.T. voneinander unabhängige Interaktionsvarianten pro Kanal • Es bedarf erheblicher weiterer Forschung

Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen