Regulation von kardialer KCNQ1- und TRPM4b-Ionenkanalaktivität

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, durch Messungen in der Perforated Patch-Clamp Konfiguration einen KCNQ1-vermittelten Kaliumsauswärtsstrom in ventrikulären Myozyten adulter C57Bl/6J-Mäuse nachzuweisen. Der in Myozyten von C57Bl/6J-Mäusen isolierte Kaliumauswärtsstrom wies zu heterolog exprimierten mKCNQ1-Kanälen eine vergleichbare Spannungsabhängigkeiten, Kinetik und Pharmakologie auf. In ventrikulären Myozyten von KCNQ1-KO-Mäusen konnte ein vergleichbarer Kaliumauswärtsstrom nicht beobachtet werden. Die gemessene KCNQ1-Kanalaktivität konnte durch Applikation von Serotonin gesteigert werden, welches pharmakologisch auf eine Aktivierung von 5-HT2A-Rezeptoren zurückgeführt werden konnte. Untersuchungen der elektrischen Erregbarkeit von ventrikulären Myozyten im Current Clamp Modus zeigten eine Verringerung der Erregbarkeit von KCNQ1-KO-Myozyten in Relation zu C57Bl/6J-Myozyten. Serotonin-Applikation führte unabhängig vom Genotyp zu einer Steigerung der Erregbarkeit um ~30 %.

Durch Sequenzierung genomischer DNA von PFHBI-Patienten einer südafrikanischen Großfamilie konnte eine Mutation in TRPM4 identifiziert werden. Die Mutation führt zum Austausch einer Glutaminsäure-Seitenkette zu einem Lysin-Rest an Position 7 von TRPM4b. Eine Expression von TRPM4bE7K in HEK293- und CHO-Zellen führte zu einer signifikant erhöhten Stromdichte gegenüber TRPM4b-exprimierenden Zellen. Diese Erhöhung von TRPM4b-Aktivität war nicht mit einer Veränderung der PtdIns(4,5)P2-Affinität, Ca2+-Abhängigkeit, Inhibition durch Nukleotidtriphosphate oder Einzelkanalleitfähigkeit bzw. Offenwahrscheinlichkeit assoziiert. Stattdessen wurde eine Insensitivität gegenüber DeSUMOylierung von TRPM4bE7K festgestellt, welches mit einer signifikanten Erhöhung der Oberflächenexpression von TRPM4bE7K korreliert werden konnte. Die beobachtete Erhöhung der Oberflächenexpressison beruht auf einer verlangsamten Internalisierung des Proteins durch Endozytose.

Die erhaltenen Ergebnissen lassen auf eine wichtige Rolle von Ubiquitinierung bzw. SUMOylierung in der Regulation kardialer Ionenkanalaktivität schließen.

Perforated-patch clamp recordings from ventricular myocytes of adult C57Bl/6J-mice allowed identification of a potassium outward current, which was found to be absent in ventricular myocytes from KCNQ1-KO-mice. The isolated current displayed similar voltage dependence, kinetics and pharmacological properties as currents recorded from mKCNQ1-channels expressed in oocytes of Xenopus laevis. Application of serotonine to ventricular myocytes of C57Bl/6J-mice lead to an increase in the amplitude of KCNQ1-mediated current, which could pharmacologically be linked to an activation of 5-HT2A-receptors. Investigation of electrical excitability of ventricular myocytes in Current-Clamp recordings showed a decreased ability for successful generation of action potentials in KCNQ1-KO-myocytes in relation to C57Bl/6J-myocytes. Application of serotonine lead to a genotype-independent increase in electrical excitability of ~30 %.

Sequencing of genomic DNA of PFHBI-patients from a south-african family revealed the presence of a heterozygous missense mutation in TRPM4 of PFHBI-patients. The mutation leads to a substitution of glutamic acid to lysine at position 7 of TRPM4b. Expression of TRPM4bE7K in HEK293- or COS-7-cells allowed detection of a significantly increased current density compared to TRPM4b expressing cells. The recorded increase in TRPM4b-activity was not due to changes in Ca2+-dependence, PtdIns(4,5)P2-affinity, inhibition by intracellular nucleotides, single channel conductance or open probability, respectively. In contrast, the observed increase in current density was correlated with an insensitivity of TRPM4bE7K protein to deSUMOylation, leading to an increased surface density of TRPM4bE7K. The observed increase in surface density is linked to an attenuation of TRPM4b-protein internalization by endocytosis.

The obtained results point towards an important role of Ubiquitinylation and SUMOylation, respectively, in regulation of cardiac ion channel activity.