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Gating and conduction regulation of inward rectifier K+ channels
Michael Jirout
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Pharmazie)
Betreuer*in
Anna Weinzinger
DOI
10.25365/thesis.73492
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28672.79343.506244-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Einwärtsgleichrichtende Kaliumkanäle (Kir-Kanäle) regulieren die zelluläre Erregbarkeit und sind in diverse physiologische Prozesse involviert, während eine gestörte Proteinfunktion Krankheiten hervorrufen kann. Unter physiologischen Bedingungen ermöglichen Kir-Kanäle beträchtliche K+-Einwärtsströme, wenn das Membranpotential negativer als das K+-Gleichgewichtspotential (EK) ist. Im Gegensatz dazu blockieren Polyamine die Kanalpore von der intrazellulären Seite bei Potentialen über EK. Außerdem werden Kir-Kanäle ebenfalls über Konformationsänderungen reguliert ("Gating"), die die Pore lokal am inneren Helixbündel (HBC) und der G-Schleife (G-loop) verengen. Verschiedene endogene Liganden sind allosterische Gating-Modulatoren, wie zum Beispiel das Lipid und Signalmolekül Phosphatidyl-inositol 4,5-bisphosphat (PIP2) und Protonen (pH). In meiner Doktorarbeit habe ich Moleküldynamik (MD)-Simulationen und Patch-Clamp Elektrophysiologie verwendet, um Einblicke in die Regulierung von Kir Kanälen mittel Polyaminen, PIP2 und pH-Wert-Änderungen zu erlangen. Erstens haben unsere Simulationen im Mikrosekundenbereich zwei Bindungsstellen des kleinsten Polyamins, Putrescin (PUT2+), gezeigt, was uns auf eine Erklärung für die starke Spannungsabhängigkeit des Polyamin-Blocks schließen lässt. Zweitens untersuchten wir die PIP2-Bindungsstelle an Kir6.2 Kanälen, den allosterischen PIP2-Öffnungsmechanismus und wie die L164P Mutante zu Permanentem Neonatalem Diabetes führen könnte. Drittens haben wir mehrere, klar definierte Leitfähigkeits-Niveaus ("Subconductance Levels") in Patch-Clamp Messungen der Kir2.2(G178D) Mutante entdeckt. Diese "Subconductance Levels" zeigen eine pH-Abhängigkeit in Patch-Clamp Messungen und MD-Simulationen. Deren Auftreten könnte durch die schrittweise Protonierung von einzelnen Aminosäuren erklärt werden.
Abstract
(Englisch)
Inwardly rectifying K+ channels (Kir) play a key role in diverse physiological processes by controlling cellular excitability, while functional impairment can cause diseases. Under physiological conditions, Kir channels allow large K+ influx at potentials negative to the equilibrium potential of K+ (EK), whereas polyamines block K+ efflux from the intracellular side at potentials positive to EK. Additionally, K+ flux through Kir channels is controlled by conformational changes locally restricting the pore ('gating') at the helix-bundle crossing (HBC) and the G-loop gates. Various endogenous ligands modulate Kir gating allosterically, like the signaling lipid phosphatidyl-inositol 4,5-bisphosphate (PIP2) and H+ (pH). Here, I used Molecular Dynamics (MD) simulations and excised patch-clamp electrophysiology to gain insights into how polyamines, PIP2, and pH regulate Kir channel gating. First, our µs-long simulations elucidate details about the two binding sites of the smallest polyamine, putrescine (PUT2+), in the pore, suggesting an explanation for the steep voltage-dependent inward rectification. Second, we investigated the PIP2 binding site on Kir6.2, PIP2-induced gating transitions, and the mechanism by which the L164P mutation causes permanent neonatal diabetes. Third, we uncover pH-dependent subconductance levels in Kir2.2(G178D) mutant channels, which can be explained by single protonation events, combining MD simulations and patch clamp electrophysiology.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kir Ionenkanäle Gating Moleküldynamik-Simulation Patch-Clamp-Technik Elektrophysiologie Polyamine PIP2 Protonierung Leitfähigkeitsniveaus
Schlagwörter
(Englisch)
Kir ion channels gating Molecular Dynamics simulations patch clamp electrophysiology polyamines PIP2 protonation subconductance
Autor*innen
Michael Jirout
Haupttitel (Englisch)
Gating and conduction regulation of inward rectifier K+ channels
Paralleltitel (Deutsch)
Gating und Leitfähigkeitsregelung von einwärtsgleichrichtenden Kaliumkanälen
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
IX, 202 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Dusanka Janezic ,
Harley Kurata
AC Nummer
AC16857559
Utheses ID
66461
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |