Identifizierung und funktionelle Charakterisierung der Protein-Superkomplexe von BKca-Kanälen in Gehirn und glatter Muskulatur

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Fakler
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5416575

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt sollten Aufbau und Funktion nativer BKCa-Typ Kaliumkanäle untersucht werden. Diese spannungs- und kalziumaktivierte Kaliumkanäle, sorgen durch ihre 'duale Aktivierung' für eine direkte Koppelung von Membranpotential und intrazellulärem Kalziumspiegel und beeinflussen dadurch das Feuerverhalten zentraler Neurone, regulieren die Hormon- und Transmitterfreisetzung und bestimmen den Tonus glatter Muskelzellen. Mit Hilfe neuentwickelter proteom-analytischer Methoden konnten wir zeigen, dass BKCa-Kanäle im Gehirn von Säugern direkt mit den spannungsgesteuerten Kalziumkanälen Cav1.2 (L-Typ), Cav2.1 (P/Q-Typ) und Cav2.2 (N-Typ) assoziiert sind. Die dadurch gebildeten BKCa-Cav Superkomplexe fungieren als 'Kalzium-Nanodomänen', in denen der Kalziumkanal den BKCa-Kanal mit ausreichend Kalzium versorgt (≥ 10 µM), um eine effiziente und schnelle Aktivierung im physiologischen Spannungsbereich, etwa während eines Aktionspotentials, zu garantieren. Neben den Cav Kanälen konnten eine Reihe weiterer Untereinheiten der BKCa Superkomplexe aus dem Ratten- und Mäusehirn identifiziert werden: die PTPR (receptor-type tyrosin protein phosphatase) D, F und S Proteine, SLC12A5 (K-Cl Transporter) und das Protein KIAA1239 (leucine-rich repeat and WD repeat-containing oder auch NACHT and WD repeat domain-containing) assoziiert sind. Die Bedeutung dieser Assoziationspartner für die Rolle der BKCa Kanäle in den Synapsen zentraler Neurone wird derzeit untersucht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2006). BKCa-Cav channel complexes mediate rapid and localized Ca2+-activated K+ signaling. Science 314, 615-620
  Berkefeld, H., Sailer, C.A., Bildl, W., Rohde, V., Thumfart, J.O., Eble, S., Klugbauer, N., Reisinger, E., Bischofberger, J., Oliver, D., Knaus, H.G., Schulte, U., and Fakler, B.
  
• (2007). Organization and regulation of small conductance Ca2+-activated K+ channel multiprotein complexes. J Neurosci 27, 2369-2376
  Allen, D., Fakler, B., Maylie, J., and Adelman, J.P.
  
• (2008). Control of KCa channels by calcium nano/microdomains. Neuron 59, 873-881
  Fakler, B., and Adelman, J.P.
  
• (2008). Profiling the phospho-status of the BKCa channel alpha subunit in rat brain reveals unexpected patterns and complexity. Mol Cell Proteomics 7, 2188-2198
  Yan, J., Olsen, J.V., Park, K.S., Li, W., Bildl, W., Schulte, U., Aldrich, R.W., Fakler, B., and Trimmer, J.S.
  
• (2008). Repolarizing responses of BKCa-Cav complexes are distinctly shaped by their Cav subunits. J Neurosci 28, 8238- 8245
  Berkefeld, H., and Fakler, B.
  
• (2010). Ca2+-activated K+ channels: From protein complexes to function. J Physiol Rev 90, 1437-1459
  Berkefeld, H., Fakler, B., and Schulte, U.
  
• (2011). Ion channels and their molecular environments - Glimpses and insights from functional proteomics. Semin Cell Dev Biol 22, 132-144
  Schulte, U., Muller, C.S., and Fakler, B.
  
• (2012). Extending the dynamic range of label-free mass spectrometric quantification of affinity purifications. Mol Cell Proteomics 11, M111 007955
  Bildl, W., Haupt, A., Muller, C.S., Biniossek, M.L., Thumfart, J.O., Huber, B., Fakler, B., and Schulte, U.
  
• (2013). Ligand-gating by Ca2+ is rate limiting for physiological operation of BKCa channels. J Neurosci 33, 7358-7367
  Berkefeld, H., and Fakler, B.