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

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

2 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

3 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?

4 Position der Ionenkanäle in einem Neuron-Modell

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

6 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

7 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

8 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

9 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 - α 2 δ-Komplex nativer α 1 α 2 δβγ-Komplex - γ-UE

10 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

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

12 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

13 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

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

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

16 Interaktion mit Proteinkomplex (CASPR2-TAG1-4.1B), welcher für Anhäufung von Kv1 bei JXP sorgt (unklarer Mechanismus, u.U. über PDZ-Domäne)

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

18 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

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

20 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

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

22 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

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

24 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

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

26 Proteine mit Beteiligung an der Expression aus dem ER zur Zellmembran: Calnexin fördert Oberflächen-expression: wahrscheinlich über Kvβ

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

28 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

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

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

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

32 Targeting der Kanäle zu den Dendriten 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

33 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

34 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)

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

36 Targeting der Kanäle zu den Dendriten Kv2.1: - Bilden Cluster (PRC notwendig) wenn sie I K unterliegen I K = 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

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

38 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

39 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 Ca 2+ um Trafficking zu ermöglichen

40 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

41 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


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