Funktionale Bedeutung der Transmembranhelices und des Turrets für das Gating von Kaliumkanälen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Indra Schröder
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265445268

Das Projekt nutzt das Potential viraler Kcv-Kanäle zum Studium von Struktur-Funktionsbeziehungen in K+-Kanälen. Obwohl das Verständnis von K+-Kanälen in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte mit bedeutenden Implikationen für die Medizinforschung gemacht hat, ist der strukturelle Hintergrund vieler Funktionen noch nicht vollständig geklärt. Offen ist z.B., warum Kanäle mit demselben Selektivitätsfilter verschiedene Einzelkanalleitfähigkeiten haben oder fast identische Spannungssensoren (VS) eine Aktivierung bei De- oder Hyperpolarisierung vermitteln.Da das Porenmodul an allen Gatingprozessen beteiligt ist, werde ich mich hierauf konzentrieren. Dazu benutze ich funktionelle Varianten der Kcv-Kanäle, die der Pore aller K+-Kanäle entsprechen. Das besondere Potential dieses Modellsystems beruht auf Folgendem: - Es gibt mehr als 60 Kcv-Kanäle die trotz sehr ähnlicher Proteinsequenzen unterschiedlich funktionieren. Diese natürliche Proteinbibliothek weist den Weg zur Identifikation von funktionell relevanten Aminosäuren (aa) und Wechselwirkungen.- Kcv-Kanäle sind extrem klein (<100 aa pro Untereinheit) und noch nicht funktionell spezialisiert, was bei komplexeren Kanälen die Herstellung funktioneller Mutanten und Chimären erschwert. Die geringe Größe erleichtert auch NMR-Experimente oder Molekulardynamik-Simulationen zur Strukturaufklärung.Der Fokus des Projekts liegt auf den Bereichen der K+-Kanalpore, die bisher relativ wenig untersucht wurden, sich aber in Vorversuchen als funktionell wichtig zeigten: der extrazelluläre Turret und die äußere Transmembranhelix (TM1).Eine Arbeitshypothese ist, dass der Turret die Kopplung zwischen TM1 und dem Selektivitätsfilter vermittelt. In Kcv-Kanälen gibt es zwei Typen von Turrets, die sich in Länge und Ladung unterscheiden. Motiviert durch die Vorversuche werde ich das Gating von Chimären und Mutationen untersuchen, die Länge und elektrische Ladung des Turrets verändern.Der zweite Focus ist die Rolle von TM1. Während die Funktion von TM2 gut untersucht ist, wurde TM1 bisher oft vernachlässigt, obwohl sie den VS mechanisch an die Pore koppelt und daher, wie auch Pilot-Experimente zeigten, wichtig für das Gating ist. Es gibt Kcv-Varianten mit hoher Sequenzübereinstimmung (>90%) und geringen Unterschieden in TM1, die aber dennoch große Unterschiede im Gating aufweisen. Mutationen und Chimären werden auf die hierfür essentiellen Aminosäuren und Wechselwirkungen führen.Beide Aspekte des Projekts werden in Experimenten zur Wechselwirkung zwischen Turret und TM1 zusammengeführt. Die Gesamtstrategie besteht aus der Kombination von Molekularbiologie und meiner langjährigen Erfahrung in der Analyse von Einzelkanaldaten und der Modellierung von Gating. Die Ergebnisse werden die Basis für zukünftige Arbeiten zur Korrelation von Struktur und Funktion bilden. Ich habe bereits eine Kooperation mit dem Chemischen Institut begonnen, deren Ziel die Festphasensynthese von Kcv-Kanälen für NMR-Experimente ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Gerhard Thiel