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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.
NADPH-Oxidasen der Nox-Familie sind eine wichtige Quelle für reaktive Sauerstoffspezies (ROS, reactive oxygen species) in verschiedenen Geweben und Zellen. Die Isoformen der NADPH-Oxidase unterscheiden sich dabei in ihrer physiologischen Funktion: Während Nox1 und Nox2 eher akute, Agonisten-induzierte ROS-Signaltransduktion vermitteln, sind Nox4-abhängig produzierte ROS an chronischen Prozessen wie Differenzierung beteiligt. Die Isoformen der NADPH-Oxidase unterscheiden sich darüber hinaus in ihrer intrazellulären Lokalisation, der Art der Aktivierung und der Spezies der abgegebenen ROS. Nox1 muss durch die Interaktion mit zytosolischen Untereinheiten (NoxA1 und NoxO1) aktiviert werden und produziert dann hauptsächlich Superoxidanionradikale (O2-). Nox4 dagegen ist unabhängig von zytosolischen Untereinheiten und somit konstitutiv aktiv und setzt eher Wasserstoffperoxid (H2O2) in den Extrazellulärraum frei. Zwischen diesen Unterschieden, deren strukturelle Ursachen weitgehend unbekannt sind, und den unterschiedlichen Funktionen von Nox1 und Nox4 besteht wahrscheinlich ein Zusammenhang. In transfizierten HEK293-Zellen konnte zunächst durch Immunofluoreszenz-Mikroskopie und subzelluläre Fraktionierung gezeigt werden, dass Nox1 in der Plasmamembran lokalisiert ist und Nox4 in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) verbleibt. Um die strukturellen Unterschiede zwischen Nox1 und Nox4, die eine Rolle bei der intrazellulären Lokalisation, den Aktivierungsmechanismen und der Art der abgegebenen ROS spielen könnten, zu identifizieren, wurden chimäre Proteine aus Nox1 und Nox4 konstruiert und analysiert. Zunächst konnte gezeigt werden, dass die konstitutive Aktivität von Nox4 durch den zytosolischen Bereich vermittelt wird. Dafür ist allerdings der komplette zytosolische Bereich ab der 6. Transmembrandomäne nötig, chimäre Konstrukte mit einem kürzeren Anteil des zytosolischen Bereichs von Nox4 waren nicht aktiv. Für die Aktivierung von Nox1 dagegen ist der zytosolische Bereich nicht ausreichend, vermutlich spielen weitere Interaktionen mit Bereichen im transmembranen Teil des Proteins ebenfalls eine Rolle. Für die korrekte intrazelluläre Lokalisation benötigen Membranproteine ein N-terminales Signalpeptid. Wenn das vorhergesagte Signalpeptid von Nox1 durch das von Nox4 ausgetauscht wurde, zeigte dieses chimäre Protein keine Plasmamembran-Lokalisation mehr, es war stattdessen in vesikelähnlichen Strukturen unterhalb der Plasmamembran lokalisiert. Das Signalpeptid von Nox1 war nicht dazu in der Lage, Nox4 zur Plasmamembran zu transportieren, das Protein war weiterhin im ER lokalisiert, was darauf hindeutet, dass Nox4 noch weitere Mechanismen besitzt, die seine ER-Lokalisation bedingen. Der Austausch des Signalpeptids von Nox4 gegen das von Nox1 führte dazu, dass das chimäre Protein statt H2O2 O2- produzierte. Dieses Ergebnis spricht dafür, dass der N-Terminus von Nox4 bei der H2O2-Produktion eine Rolle spielt. Experimente mit Nox1 und Nox4 mit N-terminalem Myc-Tag deuteten darauf hin, dass nur der N-Terminus von Nox1 prozessiert wird, also dass das Signalpeptid während der co-translationalen Translokation abgespalten wird. Ohne Signalpeptid waren sowohl Nox1 als auch Nox4 inaktiv. Die dritte extrazytoplasmatische Schleife von Nox4 enthält 28 zusätzliche Aminosäuren verglichen mit Nox1, die sich auf zwei Bereiche aufteilen. Eine Deletion der Aminosäuren, die nur in Nox4 vorhanden sind, führte dazu, dass das Protein O2- anstelle von H2O2 produzierte, ohne dass die intrazelluläre Lokalisation verändert wurde. Zwei konservierte Cysteine innerhalb der deletierten Bereiche scheinen bei diesem Prozess eine Rolle zu spielen, vermitteln den Effekt aber nicht alleine, da nach Mutation dieser Cysteine die Umkehr der ROS-Produktion nicht ganz so stark war wie bei der Deletion der kompletten Bereiche. In Nox1 sind die Cysteine wahrscheinlich in die Aktivierung des Proteins involviert, da deren Mutation die Aktivität von Nox1 reduzierte. Der N-Terminus und die dritte extrazytoplasmatische Schleife von Nox4 sind somit an einem Prozess beteiligt, der die H2O2-Produktion von Nox4 vermittelt. Die entsprechenden Abschnitte in Nox1 scheinen andere Funktionen zu erfüllen. Das Signalpeptid von Nox1 ist für die korrekte intrazelluläre Lokalisation in der Plasmamembran verantwortlich; die dritte extrazytoplasmatische Schleife ist wahrscheinlich an der Aktivierung des Proteins beteiligt. In dieser Arbeit konnten also strukturelle Unterschiede zwischen Nox1 und Nox4 in verschiedenen Bereichen der Proteine identifiziert werden, die für die unterschiedliche intrazelluläre Lokalisation und die Art der produzierten ROS verantwortlich sind.
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.