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Pore gating of potassium channels and its relevance for drug effects

Tobias Linder

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*innen

Anna Weinzinger ,

Gerhard Ecker

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29768.53340.732361-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Kaliumkanäle sind nahezu an allen physiologischen Prozessen beteiligt und nehmen eine Schlüsselrolle in zahlreichen Vorgängen, wie zum Beispiel bei der Signalweiterleitung in Nerven, bei Muskelkontraktionen, bei der Regulation des Aktionspotentials des Herzens, oder bei der Freisetzung von Hormonen, ein. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Fehlfunktionen dieser Kanäle weitreichende Folgen auf die Homöostase des menschlichen Körpers haben können. Schwerwiegende Krankheiten wie zum Beispiel Herzrhythmusstörungen, Diabetes mellitus und Krebs stehen in Zusammenhang mit K+ Kanälen. Aus diesem Grund sind diese Membranproteine das Forschungsobjekt zahlreicher Studien um ihre Funktionsweise zu entschlüsseln und zukünftige Medikamente zu entwickeln. Während die Beteiligung von K+ Kanälen am Ionenfluss von Zellen mittels elektrophysiologischen Experimenten gründlich untersucht wurde, sind Einblicke in die Übergänge zwischen Kanalkonformationen, die Ionenfluss erlauben und verhindern, dem sogenannten „Gating“, auf atomarer Ebene nach wie vor verwehrt. Die Entschlüsselung der Kristallstrukturen von Ionenkanälen stellt einen entscheidenden Durchbruch in unserem Verständnis der Kanalarchitektur dar und hat elementare Informationen der Konformationen, die Ionenkanäle in unterschiedlichen Zuständen einnehmen können, geliefert. Da diese Kanäle aber hochdynamische Proteine sind, sind genaue Kenntnisse der lokalen und globalen Konformationsänderungen von entscheidender Bedeutung. Insbesondere wurde gezeigt, dass die Wirkung von zahlreichen Medikamenten, die an K+ Kanälen angreifen, vom Kanalzustand abhängt. Dieser Umstand zeigt die Wichtigkeit der detaillierten Untersuchung des dynamischen Verhaltens von diesen Kanälen weiter auf. Die hierin durchgeführten Studien an drei unterschiedlichen Kanälen, dem prototypischen bakteriellen K+ Kanal KcsA, dem bakteriellen inwärts gerichteten K+ Kanal KirBac1.1 und an dem humanen, spannungsabhängigen K+ Kanal hERG, untersuchen die Gatingdynamik von K+ Kanälen und identifizieren kanalspezifische strukturelle Veränderungen während dieses Prozesses. Moleküldynamiksimulationen und two-electrode voltage clamp Experimente zeigten, dass aromatische Aminosäuren eine entscheidende Rolle im Kanalgating spielen, indem sie Kanäle aus einem bestimmten Zustand freigeben (F114 in KcsA), die Kanalpforte bilden (F146 in KirBac1.1) und die Bindungstasche von Wirkstoffen formen (Y652 und F656 in hERG). Speziell die Studien am hERG Kanal offenbarten die wichtige Funktion von F656 für das „drug trapping“ Phänomen, welches durch den Wirkstoffeinschluss in der Bindetasche während der Schließbewegung des Kanals charakterisiert ist. Neben der Rolle von F656 als einer der wichtigsten Bindungsdeterminanten von hERG blockierenden Wirkstoffen, könnte es auch als physikalische Barriere die Dissoziation von Wirkstoffen während des Schließens verhindern. In Studien an KcsA und KirBac1.1 ermöglichten Energieberechnungen die Untersuchung der Energieprofile von Kanalgating und die Korrelation von Konformationsänderungen mit Energieänderungen. Gatinguntersuchungen an KirBac1.1 zeigten, dass die Bewegungen des transmembranären und der intrazellulären Domäne aneinander gekoppelt sind und die Kommunikation zwischen den beiden Domänen von bidirektionaler Natur ist. Diese Dissertation verschafft neuartige Einsichten in die Kanal-spezifischen Bewegungen während des Gatings. Obwohl die drei untersuchten Kanäle ähnliche globale Gatingbewegungen der transmembranären Domänen aufweisen, sind deren lokale Bewegungen der Aminosäuren von präzise abgestimmter und hoch spezifischer Art.

Abstract

(Englisch)

K+ channels are involved in virtually all physiological processes and adopt critical roles in diverse events such as neuronal signaling, muscle contraction, cardiac action potential regulation, and hormone secretion. Thus, it is not surprising that malfunction of K+ channels can have a wide-spread disruptive impact on the homeostasis of the human body. With severe diseases such as cardiac arrhythmias, diabetes, and cancer linked to K+ channels, these membrane proteins are subject of extensive research to unravel their functional properties and develop future drugs. While the function of K+ channels and their involvement in the ionic currents of cells are well studied by electrophysiological experiments, the atomistic details of transitions between conformations allowing and preventing ion flow, called gating, still lack important insights. Crystal structures of ion channels mark a major breakthrough in our understanding of channel architecture and have provided elementary information of the conformations that ion channels can adopt in different channel states. However, as ion channels are highly dynamical proteins, knowledge of the local and global conformational changes during gating on an atomistic level is of extraordinary interest. In particular, it was shown that a plethora of drugs targeting K+ channels are crucially dependent on channel gating to develop their blocking potency emphasizing the importance of detailed knowledge of channel dynamics. Comprehensive studies on three different K+ channels, the prototypical bacterial K+ channel KcsA, the bacterial inward rectifier K+ channel KirBac1.1, and the human Kv channel hERG, were performed to shed light on the gating dynamics of K+ channels and to identify channel specific structural rearrangements. Molecular dynamics simulations and two-electrode voltage clamp experiments revealed that aromatic amino acids adopt crucial roles in gating by unlocking channels from a specific state (F114 in KcsA), by forming the pore gate (F146 in KirBac1.1) and by shaping the drug binding site (Y652 and F656 in hERG). Specifically, studies on the hERG channel disclosed the important role of F656 for drug trapping which is characterized by the drug’s retention in its binding site upon channel closure. While F656 is a key binding determinant of hERG blockers, it might also serve as physical barrier for drug dissociation. In case of KcsA and KirBac1.1, energy calculations allowed the investigation of the energy landscape of channel gating and correlations of structural rearrangements to energy changes. Gating studies on KirBac1.1 focused on the coupling between the transmembrane and the cytoplasmic domains and revealed that the communication between these two domains operates bidirectionally. Summarizing, this thesis provides novel insights into channel specific movements during pore gating. Although the three investigated channels share similar global gating rearrangements in terms of transmembrane domain movements, they exhibit uniquely fine-tuned local gating changes at the amino acid level.

Autor*innen

Tobias Linder

Haupttitel (Englisch)

Pore gating of potassium channels and its relevance for drug effects

Paralleltitel (Deutsch)

Pore gating von Kaliumkanälen und dessen Auswirkungen auf Wirkstoffeffekte

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

166 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Michael Sanguinetti ,

Ulrich Zachariae

Klassifikationen

42 Biologie > 42.12 Biophysik ,

44 Medizin > 44.37 Physiologie ,

44 Medizin > 44.38 Pharmakologie ,

44 Medizin > 44.39 Toxikologie

AC Nummer

AC12103294

Utheses ID

30966

Studienkennzahl

UA | 791 | 449 | |

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