Zelluläre und molekulare Mechanismen der Modulation der neuronalen Erregbarkeit durch Häm und seine Abbauprodukte
Anatomie und Physiologie
Biophysik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Häm (Fe2+-Protoporphyrin IX) ist eine wichtige prosthetische Gruppe in Hämoproteinen mit gut untersuchten physiologischen Funktionen. Weit weniger ist bekannt über das Aufkommen und die Funktion von nicht kovalent gebundenem Häm im Zytosol und im Extrazellulärraum. Dasselbe trifft zu für die Abbauprodukte des Häms wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Fe2+, Biliverdin und letztlich Bilirubin Oxidationsendprodukte (BOXes). In diesem Projekt sollte untersucht werden, welche Wirkung Häm und dessen Abbauprodukte (HHPDs) auf neuronale Zelle und insbesondere auf Ionenkanäle haben. Die wichtigsten Ergebnisse des Projekts lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen: Modulation der Funktion von BKCa-Kanälen durch CO und Fe2+, Regulation von Kaliumkanälen durch intrazelluläres Häm bzw. Hämin, und Wirkung von extrazellulärem Hämin auf spannungsgesteuerte Natriumkanäle (NaV-Kanäle). BKCa-Kanäle, deren Aktivität in glatten Muskelzellen Relaxation einleitet und in Neuronen zur Anpassung der elektrischen Erregbarkeit beiträgt, werden durch CO aktiviert. Hier konnte gezeigt werden, dass das Ausmaß der Aktivierung von der Zusammensetzung des Kanalkomplexes aus a- und b-Untereinheiten abhängt, wobei b1 und b4 die Wirksamkeit von CO verstärken. Weder das sog. STREX Exon der a-Untereinheit noch die Konzentration von intrazellulärem Häm scheinen jedoch keine Rolle zu spielen. Darüber hinaus ist intrazelluläres Fe2+, welches wie CO zu den ersten HHPDs gehört, ein stärkerer Aktivator von BKCa-Kanälen als CO. Kv10.1 Kanäle (hEAG1) sind überwiegend in neuronalen Zellen und in unterschiedlichen Krebszellen exprimiert. Intrazelluläres Hämin ist ein sehr potenter Inhibitor von Kv10.1: mit einer half-maximalen Konzentration von ca. 4 nM wird das Öffnen der Kanäle durch Hämin unterdrückt. Durch Mutagenese und diverse biochemische Bindestudien wurde gezeigt, dass Hämin an einer Proteinstruktur des Kanals bindet, welche das letzte Transmembransegment (S6) mit einer Domäne mit Homologie zu einer Bindestelle für cyklische Nukleotide verbindet. Aufgrund der hohen Affinität von Hämin ist es denkbar, dieses Molekül als Leitstruktur für die Entwicklung von Kv10.1-Antagonisten heranzuziehen. Neben diesem inhibitorischen Einfluss von Hämin auf Kv10.1 führt eine Bindung von Häm oder Hämin bei einigen sog. A-Typ-Kanälen aufgrund einer Interaktion mit dem Inaktivierungsmechanismus zu einer Vergrößerung des K+-Stromes. Dies trifft auch für jene Inaktivierung zu, welche durch Kvb-Untereinheiten induziert wird. Extrazelluläres Hämin, welches beispielsweise während einer Hämolyse in viel höheren Konzentrationen auftreten kann als intrazelluläres Hämin, hat nach unserer Kenntnis kaum einen Einfluss auf die Ionenkanäle, die bisher als Häm-abhängig beschrieben wurden (z. B., Kv10.1, BKCa). Wir haben daher systematisch die Wirkung von extrazellulärem Hämin auf diverse spannungsgesteuerte Natriumkanäle untersucht, da diese Kanäle in erregbaren Zellen für die Initiierung von Aktionspotentialen erforderlich sind. Während neuronale NaV- Kanäle weitgehend unempfindlich für Hämin waren, zeigte sich, dass die kardiale Isoform NaV1.5 sehr potent durch extrazelluläres Hämin, aber nicht durch Häm inhibiert wird. Die Wirkung von Hämin ist dabei vom Aktivitätszustand des Kanals abhängig: der inhibitorische Effekt wird durch starke Depolarisation aufgehoben. Hämin verhält sich also in gewisser Weise gegensätzlich zu Lokalanästhetika, die NaV-Kanäle bei steigender Aktivität progressiv blockieren. Durch Mutagenese und elektrophysiologische Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Hämin beim NaV1.5-Kanal spezifisch die Funktion des Spannungssensors in der Kanaldomäne II beeinflusst, ein Mechanismus, wie man ihn bisher nur von Spannungssensortoxinen kannte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Labile heme impairs hepatic microcirculation and promotes hepatic injury. Archives of Biochemistry and Biophysics 672, 108075
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.abb.2019.108075) - (2019) Large-conductance Ca2+- and voltage-gated K+ channels form and break interactions with membrane lipids during each gating cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 116(17), 8591-8596
Tian, Y., S.H. Heinemann, T. Hoshi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1901381116) - (2019) Modulation of K+ channel N-type inactivation by sulfhydration through hydrogen sulfide and polysulfides. Pflügers Archiv – European Journal of Physiology 471, 557-571
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00424-018-2233-x) - (2019) Structural insights into heme binding to IL-36α proinflammatory cytokine. Scientific Reports 9(1), 16893
Wißbrock, A., N.B. Goradia, A. Kumar, A.A. Paul George, T. Kühl, P. Bellstedt, R. Ramachandran, P. Hoffmann, K. Galler, J. Popp, U. Neugebauer, K. Hampel, B. Zimmermann, S. Adam, M. Wiendl, G. Krönke, I. Hamza, S.H. Heinemann, S. Frey, A. Hueber, O. Ohlenschläger, D. Imhof
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-019-53231-0) - (2020) Fe2+-mediated activation of BKCa channels by rapid photolysis of CORM-S1 releasing CO and Fe2+. Chemical Biology 15(8), 2098-2106
Gessner, G., P. Rühl, M. Westerhausen, T. Hoshi, S.H. Heinemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acschembio.0c00282) - (2020) Impact of intracellular hemin on N-type inactivation of voltagegated K+ channels. Pflügers Archiv – European Journal of Physiology 472, 551-560
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00424-020-02386-1) - (2021) Bilirubin oxidation end products (BOXes) induce neuronal oxidative stress involving the Nrf2 pathway. Oxidative Medicine and Cellular Longevity Article ID 8869908
Lu, Y., W. Zhang, B. Zhang, S.H. Heinemann, T. Hoshi, S. Hou, G. Zhang
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2021/8869908) - (2021) Regulation of large-conductance Ca2+- and voltage-gated Slo1 K+ channels by electrostatic interactions with auxiliary β subunits
Tian, Y., S.H. Heinemann, T. Hoshi
(Siehe online unter https://doi.org/10.1101/2021.02.22.432338) - (2022) Divergent roles of haptoglobin and hemopexin deficiency for disease progression of Shiga-toxin-induced hemolytic-uremic syndrome in mice. Kidney International, 202, 1171-1185
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.kint.2021.12.024) - (2022) Extracellular hemin is a reverse use-dependent gating modifier of cardiac voltagegated Na+ channels. Biological Chemistry
Gessner, G., M. Jamili, P. Tomcyzk, D. Menche, R. Schönherr, T. Hoshi, S.H. Heinemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/hsz-2022-0194) - (2022) Intracellular hemin is a potent inhibitor of the voltage-gated potassium channel Kv10.1. Scientific Reports
Sahoo, N., I. Coburger, K. Yang, A. Bernert, S.M. Swain, G. Gessner, R. Kappl, T. Kühl, D. Imhof, T. Hoshi, R. Schönherr, S.H. Heinemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-022-18975-2)
