Verteilung und Targeting von Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten neuronalen spannungsgesteuerten

IonenkanälenIonenkanälen

Helen C. Lai und Lily Y. Jan

In: Nature, Juli 2006 / Vol. 7

Verteilung und Targeting von neuronalen Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälenspannungsgesteuerten 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-teiltVerschiedene Aufgaben in verschiedenen Bereichen

Wie gelangen die Kanäle zu ihrem Bestimmungsort?

Position der Ionenkanäle in einem Neuron-Modell

Struktureller Aufbau von Ionenkanälen

Zusammengesetzt entwederaus 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

Targeting der Kanäle zum Axon: Natrium-Kanäle

Kontrolliert: Einsetzen der Aktionspotentiale bei AIS und Ranvier-Schnürringen

Rückausbreitung der Aktionspotentiale in die Dendriten

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

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

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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

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

Targeting der Kanäle zum Axon: KCNQ-Kanal (Kv7)

Kontrolliert: Ruhepotential

Reduzierte Erregbarkeit

Ähnliche Bindung an Ankyrin G wie bei Nav-Kanälen

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

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

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 ERMiRP1: Überexprimierung verursacht Zunahme der HCN2 Strömungsdichte

Wechselwirkungen:TRIP8b: Expression reduziert Oberflächen- expression in vitro von HCN1-4Filamin 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