Kv channel interacting proteins (KChIPs) as Ca2+ sensors for Kv4 channels

Abstract

Transient outward potassium currents were first described over half a century ago and since then significant discoveries have been made in the understanding of their molecular basis as well as in their physiological roles. The Kv4 family of voltage-gated potassium channels, known for their rapid activation and inactivation, play a crucial role in the repolarization of heart and neuronal action potentials, as well as the regulation of neuronal excitability. These channels form ternary complexes with auxiliary subunits, including Kv channel interacting proteins (KChIP) and dipeptidyl aminopeptidase-like proteins (DPP). KChIP, belonging to the neuronal Ca2+ sensor family, possesses four EF-hands, two of which can bind Calcium ions (Ca2+). Studies so far indicate the potential modulatory role of KChIP in the Kv4 channel complexes in response to fluctuations of intracellular Ca2+ concentration. However, these studies relied on indirect approaches to manipulate internal Ca2+ levels and the precise acute modulation of the Kv4 channel complex through Ca2+ binding on KChIP remains unclear. The present study investigated the modulatory effect of internally applied Ca2+ on Kv4.2 channel complexes on macroscopic current decay, recovery from inactivation and voltage dependence of steady-state inactivation. Inside-out patches from both HEK293T cells and Xenopus oocytes were utilized to study the modulatory effects of internal Ca2+. Additionally, epitope-tagged Kv4.2/KChIP constructs were employed to study the subcellular distribution of Kv4/KChIP channel complexes under varying internal Ca2+ conditions.

Internal application of Ca2+ resulted in contradicting effects between the used expression systems. Furthermore, an increase in internally applied Ca2+ concentration partially reversed some of the observed effects with low Ca2+. These findings raise intriguing questions regarding the potential existence of higher local Ca2+ concentrations in native environments or the involvement of other intracellular components, such as CaMKII, in modulating Kv4 channel complexes.

Auswärtsgerichtete transiente Kaliumströme wurden vor über einem halben Jahrhundert erstmals beschrieben und seitdem wurden weitreichende Fortschritte im Verständnis ihrer molekularen Grundlagen, sowie ihrer physiologischen Funktion erzielt. Die spannungsabhängigen Kaliumkanäle der Kv4-Familie zeichnen sich durch eine schnelle Aktivierung und Inaktivierung aus und spielen eine entscheidende Rolle bei der Repolarisation von Herz- und neuronalen Aktionspotentialen sowie bei der Regulation der neuronalen Erregbarkeit. Diese Kanäle formen ternäre Komplexe zusammen mit den akzessorischen Untereinheiten: Kv-Kanal-interagierende Proteine (KChIPs) und Dipeptidyl Aminopeptidase-ähnliche Proteine (DPPs). KChIPs gehören zu der neuronalen Kalziumsensor Familie und besitzen vier EF-Hand-Domänen, von denen zwei Kalzium Ionen (Ca2+) binden können. Bisherige Studien deuten auf die potenzielle modulatorische Rolle von KChIP bei den Kv4-Kanal-Komplexen in Reaktion auf die intrazellulären Schwankungen der Ca2+ Konzentration hin. Diese Studien verwendeten jedoch indirekte Ansätze zur Beeinflussung des intrazellulären Ca2+-Spiegels und die genaue akute Modulation des Kv4-Kanal-Komplexes durch die Bindung von Ca2+ an KChIP bleibt unklar. Die vorliegende Studie untersuchte den modulatorischen Effekt von intern appliziertem Ca2+ auf Kv4.2-Kanal-Komplexe hinsichtlich des makroskopischen Stromabfalls, der Erholung von der Inaktivierung und der Spannungsabhängigkeit der steady-state Inaktivierung. Hierfür wurden Inside-out-Patches von HEK293T-Zellen und Xenopus Oozyten verwendet, um die modulatorischen Effekte von internem Ca2+ zu untersuchen. Zusätzlich kamen Epitop-markierte Kv4.2/KChIP-Konstrukte zum Einsatz, um die subzelluläre Verteilung von Kv4/KChIP-Kanal-Komplexen unter unterschiedlichen internen Ca2+-Bedingungen zu untersuchen. Die interne Applikation von Ca2+ führte zu widersprüchlichen Effekten zwischen den verwendeten Expressionssystemen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der intern applizierten Ca2+-Konzentration einige der mit weniger Ca2+ beobachteten Effekte teilweise umkehrte. Diese Ergebnisse werfen interessante Fragen auf, erstens hinsichtlich einer potenziell höherer lokaler Ca2+-Konzentrationen in physiologischen Umgebung und zweitens hinsichtlich der Beteiligung anderer intrazellulärer Komponenten wie CaMKII bei der Modulation von Kv4-Kanal-Komplexen.