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hERG channel pharmacology-relation to proarrhythmia and novel molecular determinant
Priyanka Saxena
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Pharmazie, DK: Molecular Drug Targets)
Betreuer*innen
Steffen Hering ,
Hannes Todt
Mitbetreuer*innen
Evgeny Timin ,
Anna Winzinger
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29643.54693.746066-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Der hERG (human ether-ago-go related gene) Kanal ist essentiell für die Repolarisationsphase des Aktionspotentials der Herzmuskelzelle. Das Protein Kv11.1 bildet die porenbildende α-Untereinheit des IKr Kaliumkanals. Eine Reduktion des hERG Stromes, entweder durch erblich bedingte Mutationen oder durch Arzneistoffe, die den Kanal blockieren, kann eine verlängerte Aktionspotentialdauer (APD) induzieren und schwerwiegende Arrhythmien hervorrufen. Eine Reihe von Wirkstoffen aus unterschiedlichen Arzneistoffklassen blockieren hERG Kanäle und begünstigen die Entstehung eines long QT Syndroms, das – in manchen Fällen - zu plötzlichem Herztod führen kann. Um mögliche Nebenwirkungen auf die Herzfunktion auszuschließen, werden potentielle neue Arzneistoffe daher üblicherweise auch auf deren Interaktion mit hERG Kanälen getestet. Eine arzneistoff-induzierte hERG Blockade verlängert das ventrikuläre Aktionspotential und wird mit der Entstehung von Arrythmien wie Torsade de Pointes (TdP) assoziiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Reihe von Dofetilid-Analoga verwendet, um den Zusammenhang zwischen hERG Inhibition und Aktionspotentialdauer in hiPSC Herzmuskelzellen mithilfe der CellOPTIQ Plattform zu untersuchen. Weiters wurden hERG Kanäle in Xenopus laevis Eizellen exprimiert und mithilfe der Zwei-Mikroelektroden Spannungsklemmtechnik untersucht. Zusätzlich wurden stabil transfizierte hERG Säugerzelllinien verwendet und die Inhibtion von hERG Kanälen durch Dofetilid-Analoga mithilfe einer automatisierten Patch Clamp Methode studiert. Meine Daten zeigen, dass einige dieser Derivate mit relativ hoher Affinität für hERG Kanäle, aufgrund der Inhibition von mehreren Ionenkanälen, vielschichtige Auswirkungen auf die kardiale Aktionspotentialdauer haben. Strukturell unterschiedliche Arzneistoffe blockieren die hERG Kanalpore und hemmen so den Kaliumausstrom. Die Aminosäuren T623, S624 und V625 in der porenbildenden Helix sowie G648, Y652 und F656 im S6 Segment sind bereits als Bindungsdeterminanten bekannt. Mehrere Studien weisen darauf hin, dass auch das helikale Segment S5 die Interaktion mit hERG Kanal Blockern beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine weitere, bislang unbekannte molekulare Determinante (F557) am helikalen Segment S5 identifiziert werden. Das Phänomen “drug trapping” beschreibt den Einschluss von Wirkstoffmolekülen in der Bindungstasche während der Schließung des Kanalproteins und erklärt das langsame abdissoziieren einiger Moleküle vom Kanal. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von “getrappten” Blockern auf die Gatingdynamik des Kanals untersucht. Mithilfe des Moleküls Tetrabutylammonium (TBA) und des Propafenon-Analogons FB213 wurden Konformationsänderungen der Bindungsdeterminante F656 während der Schließung des Kanals untersucht. Es weiteren zeigt die Studie, dass die Pore vollständig geöffnet sein muss, damit ein Arzneistoff abdissoziieren kann. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit neue Einblicke in die Zusammenhänge zwischen hERG Inhibition und verlängerter Aktionspotentialdauer. Eine neue potentielle Bindungsdeterminante am Segment S5 wurde identifiziert und mögliche Interaktionen von hERG Kanalblockern mit gatingrelevanten Strukuren wurden beschrieben.
Abstract
(Englisch)
The human ether-ago-go related gene (hERG) channel is essential for the repolarisation phase of cardiac action potentials. hERG (Kv11.1) encodes the pore forming α-subunit of potassium channel, IKr. Reduction of hERG current, either by inherited mutations or by drugs that inhibit the channel may lead to prolonged action potential duration (APD) and fatal arrhythmias. A multitude of drugs from different therapeutic classes block hERG current, leading to acquired long QT syndrome and in some cases to sudden cardiac death. Screening for adverse cardiac effects normally involves tests for inhibition of hERG current. hERG inhibition by drugs prolongs the human adult ventricular action potential and event linked to the generation of arrhythmias particularly Torsade de Pointes (TdP). In this thesis using a series of dofetilide analogs I established correlation between hERG inhibition and action potential duration (APD) in hiPSC- cardiomyocytes using the CellOPTIQ platform. Functional studies were performed either with two-microelectrode voltage clamp on xenopus oocytes expressing hERG or alternatively making use of automated patch clamp and mammalian cell lines stably transfected with hERG. My data indicate that some derivatives with relatively high affinity for hERG have complex effects on cardiac APD due to multiple ion channel block. Structurally diverse drugs block the inner pore cavity of the hERG channel thereby inhibiting the outward potassium current. The well-known key binding residues are T623, S624 and V625, from the pore helix, and residues G648, Y652 and F656 located on the S6 segment. Several studies previously suggested that helix S5, which is in close contact with S6 segments, is likely to also influence blockers. The result of this thesis reveals the role of segment S5 in drug channel block. A novel molecular determinant F557on segment S5 was identified. Drug trapping in the inner cavity of hERG has been an important phenomenon that explains slow recovery from block by some compounds. This thesis investigated the influence of trapped blockers on the gating dynamics of the channel. Using a trapped small molecule tetrabutylammonium (TBA) and large molecule FB213 (propafenone analog) highlights the conformational changes of the key binding residue F656 during gate closure. Further this study reveals the extent of gate opening required for drug dissociation from the channel. Together, the results in this thesis present new insights on the link between hERG inhibition and cardiac action potential prolongation. A new potential binding determinant on segment S5 was identified and interactions of hERG blockers with gate structures were described.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
hERG channel dofetilide molecular determinant arrhythmia
Schlagwörter
(Deutsch)
hERG Kanal Dofetilid molekulare Determinante Arrhythmie
Autor*innen
Priyanka Saxena
Haupttitel (Englisch)
hERG channel pharmacology-relation to proarrhythmia and novel molecular determinant
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
140 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Lubica Lacinova ,
Marcel Van der Heyden
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,
44 Medizin > 44.37 Physiologie ,
44 Medizin > 44.38 Pharmakologie
AC Nummer
AC12687084
Utheses ID
35089
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1