Verteilung und Targeting von neuronalen spannungsgesteuerten Ionenkanälen
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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