Ultra-langsame Inaktivierung in Natriumkanälen

Spannungsabhängige Na+ Kanäle sind Makromoleküle, die Poren in der Zellmembran bilden und den Fluß von Na+ Ionen ermöglichen. Sie nehmen eine zentrale Rolle in der Physiologie ein indem sie die Weiterleitung von Erregungsimpulsen zwischen Zellen gewährleisten und damit die Grundlage für die Funktion der Muskulatur und des Nervensystems bilden. Die Funktion dieser Kanäle erfordert einerseits Selektivität für das durchströmende Ion (d.h. den Ausschluß anderer Ionen vom Eindringen in die Pore) und "gating" d.h. das Öffnen und Schließen der Pore als Reaktion auf das adäquate biologische Signal, d.h. Änderungen im Membranpotential. Die molekularen Mechanismen welche der Ionenselektivität und dem Gatingverhalten zugrundeliegen sind weitgehend unaufgeklärt. Die Aminosäure Lysin 1237 des Skelettmuskel Na+ Kanals der erwachsenen Ratte liegt in der äußeren Pore des Kanals und ist für die Na+ Selektivität essentiell. Wir konnten bereits zeigen, daß bestimmte Mutationen dieser Aminosäure nicht nur die Ionenselektivität veränderten, sondern auch zu wesentlichen Veränderungen des Gatingverhaltens führten: Die Kanäle gingen unter bestimmten Bedingungen in einen nichtleitenden ("inaktivierten") Zustand über, wobei die Erholung von dieser Form der Inaktivierung extrem langsam erfolgte. Wir bezeichneten diesen Zustand als "ultra-langsame" Inaktivierung. Ein Peptid, welches die äußere Pore des Kanals partiell blockierte, war gleichzeitig in der Lage, den Übergang in den ultra-langsam inaktivierten Zustand zu verhindern. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, daß die ultra-langsame Inaktivierung durch eine dynamische strukturelle Veränderung der äußeren Pore des Kanalproteins entsteht. Die Einlagerung eines Moleküls in die äußere Pore ist demnach in der Lage, mit dieser molekularen Bewegung zu interferieren und damit den Übergang in den ultralangsam inaktivierten Zustand zu verhindern. Es ist das Ziel dieses Projektes, unser Verständnis des Mechanismus der ultra-langsamen Inaktivierung zu vertiefen. Wir werden systematisch Mutationen an verschiedenen Stellen der äußeren Pore untersuchen, um jene Aminosäuren im Kanalprotein zu identifizieren, die für die Verhinderung der ultra-langsamen Inaktivierung erforderlich sind. Weiters werden wir den Mechanismus der Modulation der ultra-langsamen Inaktivierung durch Blocker der äußeren Membranpore studieren. Die Untersuchungen sollen Einblicke in eine mögliche Verbindung molekularer Bewegungen der äußeren Pore und dem Durchfluß von Ionen durch den Kanal gewähren.

Spannungsabhängige Na+ Kanäle sind porenbildende, membranständige Makromoleküle, die den Fluß von Na+ Ionen über die Zellmembran regeln. Diese molekularen Schaltelemente ermöglichen die Weiterleitung von Erregungsimpulsen zwischen einzelnen Zellen und sind damit grundlegend an der Funktion des Herzens, der Skelettmuskulatur und des Nervensystems beteiligt. Die geordnete Funktion dieser Kanäle erfordert ein fehlerfreies Öffnen und Schließen der Pore sowie den vorübergehenden Übergang in einen Zustand der Unerregbarkeit, den sogenannten "inaktiven" Zustand. Diese "Inaktivierung" ist von großer Bedeutung für die geordnete Signalweiterleitung in den erwähnten Organsystemen. Fehlerhafte Inaktivierung von Na+ Kanälen ist mit Erkrankungen wie bestimmten Formen von Epilepsie, Skelettmuskelschwäche und Herzrhythmusstörungen assoziiert. Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Inaktivierungszustände, die sich vor allem in der jeweiligen Dauer ihres Beginns und ihrer Beendigung unterscheiden. Während die "schnelle Inaktivierung" sich innerhalb weniger Millisekunden entwickelt, dauert die Entwicklung sogenannter "langsamer Inaktivierungzustände" bis zu einigen Minuten. Auf molekularer Ebene erfolgt die schnelle Inaktivierung durch einen Verschluß der intrazellulären Kanalöffnung durch eine molekulare "Klappe". Ziel unserer Studien war es, Einblicke in den Mechanismus langsam inaktivierter Zustände zu gewinnen, über deren molekulare Grundlagen wenig bekannt ist. Wir konnten zeigen, daß ein sogenannter "ultra-langsam inaktivierter Zustand" durch einen Kollaps der inneren Öffnung des Kanals entsteht. Dieser Kollaps wird begünstigt, wenn der Porenverschluß durch die Klappe für die schnelle Inaktivierung fehlerhaft funktioniert. Die "schnelle Inaktivierung scheint den Kanal vor diesem Kollaps zu schützen. Zum ersten Mal konnten wir damit zeigen, daß die Inaktivierungsklappe eine strukturelle Funktion besitzt. Bestimmte Pharmaka (Lokalanästhetika) können sich in die innere Kanalöffnung einlagern und dadurch den Kollaps der Pore verhindern. Sie wirken dabei wie ein Fuß-in-der-Tür der inneren Porenöffnung. Auch dieser Wirkmechanismus wurde für Lokalanästhetika noch nie beschrieben. Aber auch die äußeren Teile des Kanals, welche den Durchfluß der Natriumatome durch die Pore kontrollieren (Selektivitätsfilter), sind an der ultra- langsamen Inaktivierung beteiligt: Der Durchfluß von Natriumatomen verursacht Bewegungen der äußeren Pore, die den Kollaps der inneren Kanalöffnung begünstigen. Umgekehrt kann die Einführung positiver Ladungen an einer bestimmten Stelle der äußeren Kanalöffnung den Verschluß der inneren Pore verhindern. Auch der Durchfluß unnatürlich großer Teilchen kann durch Interaktion mit einer definierten Stelle an der Grenze zwischen äußerer und innerer Porenregion den Porenverschluss begünstigen. Die Ergebnisse unserer Studien geben Einblick in die komplexe Funktionsweise des Kanals und bieten wertvolle Ansätze zur Entwicklung von Pharmaka gegen bestimmte Erkrankungen der Muskulatur und des Nervensystems.