Molekulare Grundlagen des physiologischen und pathophysiologischen Schaltverhaltens von glattmuskulären L-Typ Ca2+ Kanälen

Der Kontraktionszustand der glatten Muskulatur der Blutgefäße wird entscheidend durch spannunregulierte L-Typ Ca2+ Kanäle bestimmt. Die Funktion dieser Ionenkanäle wird durch regulatorische Enzyme und intrazelluläre regulatorische Faktoren wie H+ oder reaktive Sauerstoffspezies kontrolliert. Diese zellulären Regulationsmechanismen beruhen auf der reversiblen chemischen Modifikation der Proteine welche den Ca2+ Kanalkomplex bilden. Störungen in diesen Regulationsmechanismen werden als wesentliche Ursache für Funktionsstörungen der Gefäßmuskulatur bei Krankheitsbildern wie Bluthochdruck und Atherosklerose, angesehen. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Aufklärung molekularer Mechanismen welche der Regulation glattmuskulärer L-Typ Ca2+ Kanäle zugrunde liegen. Das Forschungsvorhaben wird sich moderner biophysikalischer, biochemischer und molekularbiologischer Methoden bedienen und damit die Regulation des Ca2+ Kanals durch Proteinkinase C, den intrazellulären Redoxstatus und den intrazellulären pH Wert untersuchen. Vor allem soll versucht werden, die regulatorische Rolle der intrazellulär lokalisierten beta Untereinheit des Ca2+ Kanals aufzuklären. Es ist geplant, die Funktion einzelner L-Typ Ca2+ Kanäle in der Membran von nativen glatten Muskelzellen sowie die Funktion rekombinanter Ca2+ Kanäle in einem Exressionssystem (humane embryonale Nierenzellen) zu studieren. Neue biochemische und molekuarbiologische Strategien sollen angewendet werden um die regulatorische Umgebung der Ca2+ Kanäle gezielt zu verändern und solche Veränderungen nachzuweisen. Durch gerichtete Mutagenese soll schließlich versucht werden, die für die Kanalregulation wichtigen Proteinstrukturen zu identifizieren. Es wird erwartete, daß die geplanten Untersuchungen entscheidend zur Aufklärung der rolle bestimmter zellulärer Signaltransduktionswege in der Regulation von L-Typ Ca2+ Kanälen der glatten Muskulatur beitragen werden. Durch die Identifizierung von Regulationsmechanismen mit pahtophysiologischer Bedeutung könnten diese Untersuchungen wegbereitend für neue Strategien in der Pharmakotherapie von Herz-Kreislauferkrankungen werden.

Die molekularen Mechanismen der Regulation von spannungsabhängigen Ca2+ Kanälen und der Zusammenhang zwischen Regulationsmechanismen und pathophysiologischen Phänomenen ist noch weitgehend unklar. Im Rahmen dieses Projektes wurden insgesamt fünf pathophysiologisch relevante Apekte der Regulation von spannungsabhängigen Ca2+ Kanälen der Klasse C (Ca v 1.2) welche insbesondere für die Kontrolle von Gefäß- und Herzmuskelfunktionen Bedeutung haben, bearbeitet Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeiten eröffnen den Blick auf neuen Konzepte der zellulären Steuerung von Ca2+ Kanälen und zeigen eine Reihe von bislang unbekannten Regulationsprinzipien auf: 1) Regulation durch reversible Protein-Protein Interaktionen zwischen bestimmten Untereinheiten (a1 und ß ) des Ca2+ Kanalkomplexes 2) Einer Domäne im C-Terminus der zentralen a1 Untereinheit bestimmt das Schaltverhalten, die Leitfähigkeit und die subzelluäre Lokalisation von Cav 1.2 Kanälen 3) Intrazelluäre S-Nitrosierungsprozesse als regulatorisches Prinzip von Cav 1.2 Kanälen. 4) Die Steuerung von Kanalfunktionen durch direkte Wechselwirkung mit Lipidmediatoren. 5) Kontrolle von Cav 1.2 Kanalfuntionen durch enge funktionelle Kopplung an nichtselektive Kationenkanäle der Trp Proteinfamilie. Hervorzuheben ist der erstmalige Nachweis einer engen Interaktion zweier bislang ausschließlich getrennt betrachteter Membranleitfähigkeiten und ihre funktionellen Kopplung durch lokale Ca2+ Signale. Dies stellt ein völlig neues Konzept der Regulation von Ca2+ Kanälen, basierend auf der spezifischen Kolokalisation von zwei Ca2+ Kanaltypen in der Plasmamembran, dar. Die im Verlauf dieses Projektes aufgezeigten molekulären Mechanismen der Regultion von Cav 1.2 und von TrpC Kanälen sollten wegbereitend für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien zur Behandlung von Erkrankungen, insbesondere des Herzkreislaufsytems, sein.