Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen Helen C. Lai und Lily Y....

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Proteine mit Beteiligung an der Expression aus dem ER zur Zellmembran:

Calnexin fördert Oberflächen-expression: wahrscheinlich über Kvβ


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: KCNQ-Kanal (Kv7)

Kontrolliert: Ruhepotential

Reduzierte Erregbarkeit

Ähnliche Bindung an Ankyrin G wie bei Nav-Kanälen


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


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


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)


Kv-Kanäle:

Kv2: bilden große Cluster im proxysomalen Dendriten

Kv3: in Dendrit und Axon


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


Kv3.3: - Targeting abhängig von PDZ-Domäne am C-Terminus

- Schwächen Reiz-Rückleitung vom Soma ab


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


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

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