Strukturbasierte elektrophysiologische Analyse der Ionenkanalfunktion von Polycystin-2 als Homomer oder im Komplex mit Polycystin-1

• Antragsteller: Alexandr Ilyaskin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Nephrologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517598260

Bei der autosomal-dominanten polyzystischen Nierenerkrankung (ADPKD) führt die Entstehung flüssigkeitsgefüllter Nierenzysten letztlich zum Nierenversagen. ADPKD wird durch Mutationen im PKD1- oder PKD2-Gen verursacht, die für Polycystin-1 (PC1) bzw. Polycystin-2 (PC2) kodieren. Die (patho-)physiologischen Rolle von PC1 und PC2 ist allerdings weiterhin unklar. Aktuelle Kryo-EM-Daten unterstützen das Konzept der Kationenkanalfunktion von PC2 in einer homotetrameren Konfiguration oder als Heterotetramer mit drei PC2-Monomeren und einem PC1-Protein. Eine veränderte PC2-Ionenkanalfunktion kann zur Pathophysiologie von ADPKD beitragen. Es gibt sehr widersprüchliche Befunde zu den Ionenkanaleigenschaften von PC2 und dessen Interaktion mit PC1, was die Suche nach neuen Ansätzen zur Erforschung der Ionenkanalfunktion von PC2 rechtfertigt. Das beantragte Projekt profitiert dabei von kürzlich veröffentlichten Kryo-EM-Daten und neu entwickelten PC2-Konstrukten mit verbesserter Oberflächenexpression oder ‚Gain-of-Function‘-Mutationen, um die Ionenkanaleigenschaften von PC2 allein oder im Komplex mit PC1 zu analysieren. Mit einer Kombination aus elektrophysiologischen Techniken, Computermethoden und zielgerichteter Mutagenese sollen folgende Aspekte untersucht werden: 1.) Bedeutung der Porenschleife, des TOP-Domänenfingers 2 und des S4-S5-Linkers für die PC2 Funktion. 2.) PC2-Modulationsmechanismen durch Plasmamembranlipide, amphiphile oder lipophile Substanzen. 3.) Funktionelles Zusammenspiel von PC2 und PC1. Zu Ziel 1 werden folgende spezifische Fragen adressiert: Verändern ADPKD-assoziierte PC2-Mutationen in der Porenschleife (F629S, C632R, R638C) die Ionenkanaleigenschaften von PC2? Ist eine Kation-π-Interaktion zwischen den PC2-Untereinheiten, die durch den TOP-Domänen-Rest (W380) und den Porendomänen-Rest (R654) gebildet wird, entscheidend für die PC2-Ionenkanalfunktion? Verändern ADPKD-assoziierte PC2-Mutationen im TOP-Domänenfinger 2 (A384P, G390S) die Ionenkanaleigenschaften von PC2? Wie beeinflusst die ADPKD-assoziierte N580K-Mutation innerhalb des S4-S5-Linkers die Ionenkanalfunktion von PC2? Zu Ziel 2: Wird PC2 durch Cholesterin und/oder Phosphatidylinositol-Phosphate (PIP2) moduliert? Ist die in der PC2-Kryo-EM-Struktur identifizierte PIP2-Bindungsstelle funktionell wichtig? Können wir neue lipophile oder amphiphile PC2-Modulatoren identifizieren, die über die PIP2-Bindungsstelle wirken? Zu Ziel 3: Wie beeinflusst die Koexpression von PC1 die Ionenkanaleigenschaften und die Zelloberflächenexpression von PC2? Welche PC2- und PC1-Domänen sind entscheidend für die Funktion des heteromeren PC2-PC1-Ionenkanals? Zusammenfassend erwarten wir von dieser innovativen experimentellen Strategie neue Einblicke in die Ionenkanalfunktion von PC2 als Homomer und im Komplex mit PC1. Dies könnte die Entwicklung pharmakologischer Modulatoren von PC2 fördern und zu neuen (patho) physiologischen und therapeutischen Konzepten für die ADPKD-Behandlung führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christoph Korbmacher