Untersuchungen zur Struktur und Funktion des skelettmuskulären Dihydropyridinrezeptors

• Antragsteller: Professor Dr. Symeon Papadopoulos
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 12467732

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die elektromechanische Kopplung des Muskels ist das funktionelle Zusammenspiel der beiden Kalziumkanäle, Dihydropyridin-Rezeptor (DHPR) und Ryanodin-Rezeptor (RyR1), von essentieller (patho-)physiologischer Bedeutung. Über die strukturellen Grundlagen und über die mechanistische Natur der DHPR-RyR1-Interaktion ist noch wenig bekannt. Mittels Messungen von Förster Resonanz Energietransfer (FRET) wurde in diesem Projekt erstmals die Topologie von α1S-Domänen (α1S ist die Hauptuntereinheit des DHPR) innerhalb des intakten DHPR-RyR-Komplexes in lebenden Skelettmuskelzellen in Primärkultur untersucht. Die Anwesenheit des RyR1 führt zu z.T. drastischen Änderungen des FRET-Signals, was auf eine RyR1-induzierte Neuordnung der gesamten intrazellulären α1S-Schnittstelle schließen lässt. Basierend auf diesen Daten wird ein Modell vorgeschlagen, das zum ersten Mal die durch die Anwesenheit des RyR1 generierte, mögliche molekulare Ausgangslage darlegt, an die die dynamischen Vorgänge bei der elektromechanischen Kopplung anknüpfen könnten. In einem zweiten Projektteil wurde die strukturelle Basis der Interaktion des α1S Carboxyterminus mit Calmodulin (CaM) untersucht. Diese Interaktion ist für die normale Inaktivierung des DHPR im Herzen von entscheidender Bedeutung und ein solcher Mechanismus wurde auch für den skelettmuskulären DHPR postuliert. Wir konnten anhand von biochemischen und funktionellen Studien zeigen, dass beim skelettmuskulären DHPR-Carboxyterminus aufgrund einiger weniger, im Tierreich hoch konservierter Sequenzabweichungen, die Affinität für CaM aufgehoben ist. Ein molekularbiologischer Einbau dieser Abweichungen in den DHPR des Herzens hebt die kalziumabhängige Inaktivierung des Kanals komplett auf. Somit bestehen trotz hoher konservierter Sequenzhomologie grundlegende funktionelle Unterschiede zwischen dem kardialen und dem skelettmuskulären DHPR, die auf einen Aminosäureaustausch an einigen wenigen Schlüsselpositionen beruhen. Schließlich wurde in einem weiteren Projektteil mittels der Yeast-Two-Hybrid-Technik das α-actinin als potentialer Interaktionspartner des α1S-Carboxyterminus identifiziert. Allerdings erscheint die Validität dieser Interaktion für den intakten intrazellulären Bereich von Muskelzellen fraglich.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Organization of calcium channel beta1a subunits in triad junctions in skeletal muscle. J Biol Chem. (2006) 281: 3521-7
  Leuranguer V, Papadopoulos S, Beam KG
  
• Structural requirements for the interaction of the voltage gated calcium channel subunits α1S and α1C C-termini with Calmodulin (CaM)." 85th Annual Meeting of the German Physiological Society, 2006
  B. Eckhart, S. Papadopoulos
  
• "Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Dihydropyridinrezeptors: Molekulare Determinanten der Dihydropyridinrezeptor-Calmodulin- Interaktion", Dissertation, Medizinische Hochschule Hannover, 2007
  Barbara Ritter
  
• Identification of residues within the DHPR carboxyl terminus responsible for differential CaM binding of cardiac and skeletal muscle isoforms. 51st Annual Meeting of the Biophysical Society in Baltimore, Maryland, March 3-7, 2007
  B. Ritter, S. Papadopoulos
  
• Minor sequence differences between the voltage dependent cardiac and skeletal muscle calcium channel carboxyl termini strongly affect binding of CaM. 86th Annual Meeting of the German Physiological Society, Hannover, Germany, 2007
  B. Ritter, S. Papadopoulos
  
• Evidence for a close spatial arrangement of intracellular domains of the skeletal muscle DHPR using measurements of fluorescence resonance energy transfer (FRET) between CyPet and YPet in a non-destructive measuring variant. 52nd Annual Meeting of the Biophysical Society and 16th IUPAB International Biophysics Congress in Long Beach, California, February 2-6, 2008
  A. Polster, S. Papadopoulos
  
• Is there cellular colocalization and functional interaction of AE1 and carbonic anhydrase II? Jahrestagung der Deutschen Physiologischen Gesellschaft vom 2. bis 5. März 2008 in Köln
  V Endeward, S Al-Samir, G Gros, S Papadopoulos
  
• Sequence differences in the IQ motifs of CaV1.1 and CaV1.2 strongly impact calmodulin binding and calcium-dependent inactivation. J Biol Chem. (2008) 283:29301-11
  Ohrtman J, Ritter B, Polster A, Beam KG, Papadopoulos, S
  
• Effects of inserting fluorescent proteins into the alpha1S II-III loop: insights into excitation-contraction coupling. J.Gen.Physiol (2009) 134:35-51
  Bannister RA, Papadopoulos S, Haarmann CS, Beam KG
  
• Voltage- and calcium-dependent inactivation of α1C is suppressed in muscle cells and this suppression does not appear to be a consequence of insertion into triad junctions. Gordon Research Conference on Excitation Contraction Coupling, 2009
  JD. Ohrtman, S. Papadopoulos, A. Polster, KG. Beam
  
• Association of the Alpha1S I/II Loop Peptide with Beta1A Results in Translocation of the Complex to the Cell Surface and in Clustering, Biophysical Journal, Volume 98, Issue 3, Supplement 1, January 2010, Page 714a
  A. Polster, S. Papadopoulos
  
• "FRET Reveals Substantial Reorientation of the Cytoplasmic Interface of the Skeletal Muscle DHPR in the Presence of RyR1", Dissertation, Universität zu Köln, 2011
  Alexander Polster
  
• The a1S I/II loop as molecular switch for b1A to enable trafficking of the Dihydropyridine receptor (DHPR). Acta Physiologica, Vol. 201, Suppl. 682. 90th Annual Meeting of the German Physiological Society, Regensburg, March 26-29, University of Regensburg, 2011
  A. Polster, S. Papadopoulos