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Background and Objective: The slow delayed rectifier current (IKs) is important for cardiac action potential termination. The underlying channel is composed of Kv7.1 α-subunits and KCNE1 β-subunits. While most evidence suggests a role of KCNE1 transmembrane domain and C-terminus for the interaction, the N-terminal KCNE1 polymorphism 38G is associated with reduced IKs and atrial fibrillation (a human arrhythmia). Structure-function relationship of the KCNE1 N-terminus for IKs modulation is poorly understood and was subject of this study.
Methods: We studied N-terminal KCNE1 constructs disrupting structurally important positively charged amino-acids (arginines) at positions 32, 33, 36 as well as KCNE1 constructs that modify position 38 including an N-terminal truncation mutation. Experimental procedures included molecular cloning, patch-clamp recording, protein biochemistry, real-time-PCR and confocal microscopy.
Results: All KCNE1 constructs physically interacted with Kv7.1. IKs resulting from co-expression of Kv7.1 with non-atrial fibrillation ‘38S’ was greater than with any other construct. Ionic currents resulting from co-transfection of a KCNE1 mutant with arginine substitutions (‘38G-3xA’) were comparable to currents evoked from cells transfected with an N-terminally truncated KCNE1-construct (‘Δ1-38’). Western-blots from plasma-membrane preparations and confocal images consistently showed a greater amount of Kv7.1 protein at the plasma-membrane in cells co-transfected with the non-atrial fibrillation KCNE1-38S than with any other construct.
Conclusions: The results of our study indicate that N-terminal arginines in positions 32, 33, 36 of KCNE1 are important for reconstitution of IKs. Furthermore, our results hint towards a role of these N-terminal amino-acids in membrane representation of the delayed rectifier channel complex.
Background: Long QT syndrome (LQTS) leads to arrhythmic events and increased risk for sudden cardiac death (SCD). Homozygous KCNH2 mutations underlying LQTS-2 have previously been termed "human HERG knockout" and typically express severe phenotypes. We studied genotype-phenotype correlations of an LQTS type 2 mutation identified in the homozygous index patient from a consanguineous Turkish family after his brother died suddenly during febrile illness.
Methods and Results: Clinical work-up, DNA sequencing, mutagenesis, cell culture, patch-clamp, in silico mathematical modelling, protein biochemistry, confocal microscopy were performed. Genetic analysis revealed a homozygous C-terminal KCNH2 mutation (p.R835Q) in the index patient (QTc ~506 ms with notched T waves). Parents were I° cousins – both heterozygous for the mutation and clinically unremarkable (QTc ~447 ms, father and ~396 ms, mother). Heterologous expression of KCNH2-R835Q showed mildly reduced current amplitudes. Biophysical properties of ionic currents were also only nominally changed with slight acceleration of deactivation and more negative V50 in R835Q-currents. Protein biochemistry and confocal microscopy revealed similar expression patterns and trafficking of WT and R835Q, even at elevated temperature. In silico analysis demonstrated mildly prolonged ventricular action potential duration (APD) compared to WT at a cycle length of 1000 ms. At a cycle length of 350 ms M-cell APD remained stable in WT, but displayed APD alternans in R835Q.
Conclusion: Kv11.1 channels affected by the C-terminal R835Q mutation display mildly modified biophysical properties, but leads to M-cell APD alternans with elevated heart rate and could precipitate SCD under specific clinical circumstances associated with high heart rates.
Im ersten Teil der Arbeit wurde eine genetische Disposition für Vorhofflimmern (VHF) untersucht. Der Einzelnukleotidpolymorphismus ("single nucleotide polymorphism", SNP) 38G/S befindet sich im N-Terminus der ß-Untereinheit KCNE1. Diese ß-Untereinheit konstituiert gemeinsam mit der alpha-Untereinheit KCNQ1 die langsame Komponente des verzögerten Gleichrichterstromes, IKs. Die ß-Untereinheit hat hierbei eine modulierende Funktion. Frühere Studien beschäftigten sich hauptsächlich mit der transmembranären Domäne und dem C-Terminus. Über die Rolle des N-Terminus war bislang wenig bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Aufgabe des N-Terminus bei der Modulation der alpha-Untereinheit zu identifizieren. Außerdem sollte festgestellt werden, welche Aminosäuren hierbei besonders von Bedeutung sind. Zu diesem Zweck wurden diverse Konstrukte synthetisiert. Für das Konstrukt delta1-38’ wurden die Aminosäuren 1-38 und damit der Großteil des N-Terminus entfernt. Das Konstrukt "linker" enthält anstelle des Glyzins oder Serins an Position 38 fünf Alanine. In der Nähe der von dem SNP betroffenen Aminosäure befinden sich des Weiteren drei Arginine, die mit jeweils einem Alanin substituiert wurden. Für alle Versuche diente die nicht VHF-assoziierte Variante des SNPs als Kontrolle. Alle Konstrukte konnten erfolgreich heterolog exprimiert werden und gleichermaßen mit der alpha-Untereinheit immunopräzipitiert werden. Die aus der Co-Transfektion von KCNQ1 und KCNE1 resultierende Stromdichte wurde mittels "Patch-clamp"-Technik untersucht. Im Vergleich zum Kontrollstrom (KCNQ1 + KCNE1-38S) waren die Ströme aller anderen Gruppen während De- und Repolarisation signifikant kleiner. Zellfraktionierung und konfokale Mikroskopie zeigten, dass im Vergleich zur Kontrolle alle anderen Konstrukte eine verminderte Plasmamembranlokalisation aufwiesen. Die Aufgabe des N-Terminus liegt offensichtlich im Transport beider Untereinheiten an die Plasmamembran und/oder der Verankerung dort. Sowohl die Aminosäure in Position 38 als auch die drei N-terminalen Arginine in der Nähe scheinen für den hier gesuchten Mechanismus von Bedeutung zu sein. Zukünftige Experimente könnten beispielsweise 3D-Simulationen der Proteinfaltung beinhalten, um die potentielle Membranverankerung weiter zu untersuchen. Der zweite Teil der Arbeit untersuchte erworbene elektrophysiologische Veränderungen im Rahmen von VHF am Beispiel der einwärts gleichrichtenden Kaliumströme IK1 und IKACh. Es sollten die zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen für die Heraufregulierung von IK1 und IKACh bei VHF untersucht werden. Alle Experimente wurden an humanem Gewebe des linken Vorhofs durchgeführt. Das Gewebe stammt von VHF-Patienten, die sich einer Mitralklappen-Operation unterzogen. Als Kontrolle wurde Gewebe von Patienten im Sinusrhythmus (SR) verwendet. Zunächst wurde untersucht, ob transkriptionelle und/oder posttranskriptionelle Veränderungen oder funktionelle Effekte der Heraufregulierung der Ströme zugrunde liegen. Entsprechend wurde die Proteinexpression mittels Western Blot quantifiziert. Die Quantifizierung der mRNA erfolgte per Realtime-PCR. Veränderungen für IK1 konnten sowohl auf mRNA- als auch auf translationaler Ebene beobachtet werden. Protein- und mRNA-Expression von Kir2.1, der zugrunde liegenden Proteinuntereinheit, waren bei VHF signifikant erhöht; die Expression der inhibitorischen miR-1 war reduziert. Die Bestimmung der Protein- und mRNA-Expression der zugrunde liegenden Proteinuntereinheiten für den Strom IKACh zeigte dagegen keinen Unterschied zwischen Gewebe von Patienten mit VHF und SR. Eine funktionelle Regulierung schien daher möglich. Die Expression der IKACh modulierenden Proteine Calmodulin und G alpha i-3 unter VHF zeigte jedoch keinen signifikanten Unterschied zu der SR-Gruppe. Es war eine Tendenz zur Reduktion des inhibierenden G alpha i-3 zu beobachten. Die Regulierung von IKACh,c bei VHF bleibt in zukünftigen Arbeiten zu untersuchen. Ein möglicher Versuch wäre, therapeutisch in die Regulation der Kir-Untereinheiten einzugreifen, um das VHF-unterstützende, elektrische "Remodeling" des IK1 zu verhindern.