C-terminale Modulation von Cav1.3 L-Typ Calcium-Kanälen

Spannungsabhängige Calcium-Kanäle sind Poren in der Plasmamembran elektrisch erregbarer Zellen, welche durch Depolarisation geöffnet werden und damit den Calcium-Einstrom in die Zelle steuern. Das resultierende Calcium- Signal triggert wichtige physiologische Prozesse, wie Muskelkontraktion und neuronale Funktionen. L-Typ Calcium-Kanäle (LTCK) sind ein etablierter Angriffspunkt für sog. Calcium-Kanalblocker. Diese Pharmaka werden weltweit zur Therapie des Bluthochdrucks, der Angina pectoris und von Herzrhythmusstörungen eingesetzt. Bestimmte L-Typ Kanalisoformen (hs. Cav1.2 und Cav1.3) werden auch im Gehirn exprimiert und spielen eine wichtige Rolle für Angst- und depressionsartiges Verhalten (Cav1.3), sowie für räumliches Gedächtnis (Cav1.2) und Angstgedächtnis (Cav1.3). Zusätzlich wurde vor kurzem eine zentrale Rolle von Cav1.3 Kanälen für die Pathophysiologie des Morbus Parkinson beschrieben. Cav1.3 Kanäle bieten sich daher ebenfalls als attraktiver Angriffspunkt für neue Arzneimittel an. Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Aufklärung der physiologischen und möglichen arzneitherapeutischen Bedeutung eines neuen modulatorischen Mechanismus, welcher die Funktion von L-Typ Calciumkanälen (LTCK) kontrolliert. Wir entdeckten diesen Mechanismus erstmals in der porenbildenden a1-Untereinheit von Cav1.4 LTCKs (Singh et al., Nature Neuroscience 9: 1108-1116, 2006) und zeigten, daß das Ende des C-Terminus an weiter proximal gelegene Regionen des C-terminalen Abschnitts des a1-Proteins bindet (C-terminal modulatory mechanism, CTM). Wir haben nun entdeckt, daß ein ähnlicher CTM in Cav1.3 LTCKs existiert. Dieser kontrolliert das Öffnungs- und Schließverhalten (Gating) der Cav1.3 Kanäle, einschließlich ihrer Aktivierung bei relativ negativen Membranpotentialen. Diese Eigenschaft wird für die einzigartige physiologische Bedeutung von Cav1.3 Kanälen verantwortlich gemacht (Sinusknotenfunktion, Hörfunktion, Angstgedächtnis) und erklärt sehr wahrscheinlich auch seine pathophysiologische Bedeutung bei der Entstehung von Morbus Parkinson. In diesem Projekt wollen wir die molekularen Grundlagen und die physiologische Bedeutung dieses CTM analysieren und vorhersagen, ob diese Feinabstimmung des Kanals under pathologischen Bedingungen vor allem bei Erkrankungen mit veränderter elektrischer Erregbarkeit (wie Epilepsie, Ataxie, Migräne, Herzrhythmusstörungen) verändert ist. Wir untersuchen, ob eine pharmakologische Interferenz mit diesem Mechanismus möglich ist und damit die Möglichkeit einer neuartigen pharmakologischen Beeinflussung der Aktivität dieser Kanäle. Weiters ist die Entwicklung eines neuen Mausmodells geplant, in dem durch eine Mutation diese Modulation ausgeschaltet wird und somit die Wirkung von Inhibitoren dieses Modulators im intakten Säugerorganismus vorhergesagt werden kann.

Spannungsabhängige Kalziumkanäle (SKK) bilden Ionenporen in der zellulären Plasmamembran, welche bei Erregung der Zelle öffnen und den Einstrom von Kalziumionen ermöglichen. Dieses Calcium dient als Signal für physiologische Prozesse wie Muskel- und Nervenzellfunktion. Blockade von SKK im kardiovaskulären System durch sog. Kalziumantagonisten dient seit Jahrzehnten als erfolgreicher Therapieansatz zur Behandlung von Bluthochdruck, Angina pectoris und Herzrhythmusstörungen. Verschiedene sog. L-Typ SKK (LTKK), nämlich Cav1.2 und Cav1.3, existieren auch in Nervenzellen. In diesen spielen sie eine wichtige Rolle für emotionales Verhalten (Cav1.3), Angstreaktionen (Cav1.3) und räumliches Gedächtnis (Cav1.2). Die Cav1.3 Isoform scheint auch an der Entstehung der Parkinson'schen Erkrankung beteiligt zu sein. Daher werden diese LTKK derzeit als interessanter neuer Arzneimittelwirkort angesehen.Ziel dieses Projektes war die Erforschung der physiologischen Bedeutung eines neuartigen modulatorischen Mechanismus, welcher die Funktion von LTKK steuert. Dieser wurde von unserer Arbeitsgruppe ursprünglich innerhalb der porenbildenden ?1-Untereinheit von Cav1.4 LTKK entdeckt (Singh et al., Nature Neuroscience 9: 1108-1116, 2006). Dabei bindet eine Region am Ende des ?1-Moleküls an eine am Beginn des C-terminalen Sequenzabschnitts gelegene Region. Die dadurch entstehende gefaltete Struktur moduliert das spannungs- und Calcium-abhängige Schaltverhalten der Kanäle (C-terminal modulatory mechanism, CTM). In diesem Projekt haben wir einen solchen CTM auch in Cav1.3 LTKK nachgewiesen. Wir konnten weiters zeigen, dass dieser selbst durch alternatives Splicing in seiner Stärke moduliert werden kann, indem kurze Varianten gebildet werden, welchen diese CTM Domäne fehlt. Interessanterweise werden diese funktionell unterschiedlichen Splicevarianten gewebs-spezifisch exprimiert, was eine Feinadaption der Kanalfunktion an spezielle zelluläre Bedürfnisse erkennen lässt (Cav1.3 LTKK sind neben ihrer Bedeutung im ZNS auch für Herzschrittmacher- und Hörfunktion relevant). Unerwartet war unsere Entdeckung einer neuen menschlichen Erkrankung welche durch eine Genmutation in einem ebenfalls alternativ gespliceten Exon im Bereich der Kanalpore von Cav1.3. Die betroffenen Individuen sind taub und haben eine Rhythmusstörung ausgehend von einer Sinusknotendysfunktion des Herzens. Wir konnten die Expression des betroffenen Exons im Sinusknoten und in sensorischen Zellen des Innenohrs bei Mäusen bestätigen. Weiters gelang uns der Nachweis, dass die Mutation zwar nicht die Expression des Kanalproteins beeinträchtigt, dass diese aber die Spannungsfühler von der Pore entkoppelt und dadurch der Kanal bei Erregung der Zelle nicht öffnet. Wir bezeichneten diese Erkrankung als SANDD (Sinoatrial Node Dysfunction and Deafness). Wie geplant gelang außerdem die Herstellung eines neuen Mausmodells in dem wir die Funktion des CTM gezielt ausgeschaltet haben. Dadurch wird es uns in derzeit laufenden Experimenten möglich, die physiologische Bedeutung dieses Modulators in vivo in Mäuse zu studieren (vor allem für Hör-, Herz und Gehirnfunktion). Dadurch sollte sich auch abschätzen lassen, ob eine pharmakologische Beeinflussung dieser modulatorischen Domäne eine pharmakotherapeutische Bedeutung besitzen könnte.