Ionenpermeation in Kaliumselektiven und Nicht-selektiven Kationenkanälen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andrew Plested; Professorin Dr. Han Sun
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 291198853

Trotz einer ähnlichen Architektur weisen bestimmte tetramere Ionenkanäle eine hohe Selektivität für verschiedenartige Kationen auf, wohingegen andere kaum selektiv sind. Diesen unterschiedlichen Permeationseigenschaften unterliegen chemische Wechselwirkungen und Dynamiken, die in Ionenkanälen von Vertebraten weitgehend unerforscht sind. Mithilfe von Molekulardynamik Simulationen und funktionellen Experimenten möchten wir den Ionentransport von Kanälen studieren, die eine wichtige Rolle in der Kognition, der sensorischen Übertragung und dem Herzrhythmus spielen.Permeation und Block von AMPA-Rezeptoren durch Ca2+ sind kritische Prozesse im menschlichen Gehirn und Gegenstand dieser Studie. Wir werden kürzlich publizierte AMBER- und CHARMM-kompatible Parameter für Ca2+-Ionen verwenden und diese Ergebnisse durch Quantenmechanik/Molekulare-Mechanik- (QM/MM) Simulationen verifizieren. Genau wie der AMPA-Kanal ist der zyklisch Nukleotid-gesteuerte Ionenkanal (CNG, engl. cyclic nucleotide-gated ion channel) nicht selektiv für monovalente Kationen. Unsere vorherigen Studien am bakteriellen NaK-Kanal konnten zeigen, dass die K+-Leitfähigkeit eine vierfach-Symmetrie im Selektivitätsfilter erfordert, wohingegen in Na+-leitenden Simulationen ein asymmetrischer Filter gefunden wurde. Wir werden untersuchen, ob hier dieselben Mechanismen auf den CNG-Kanal zutreffen, welcher eine kritische Komponente in der Signaltransduktion von visuellen Prozessen darstellt. Die Struktur eines als offen angenommenen CNG-Kanals konnte kürzlich durch Kryoelektronenmikroskopie gelöst werden. Basierend hierauf können wir K+- und Na+- Permeationssimulationen im CNG-Kanal durchführen.Unser finales Ziel besteht darin, die Zusammenhänge zwischen der strukturellen Symmetrie im Selektivitätsfilter und der Na+/K+- Selektivität von K2P-Kanälen aufzudecken. Der TWIK-1-Kanal ist ein spezifischer K2P-Kanal mit einer variierenden Ionenselektivität. Es wird angenommen, dass er die kardiale Erregung bei Hypokaliämie beeinflusst. Im Vergleich zu anderen K2P-Kanälen hat TWIK-1 einen stark asymmetrischen Filter und eine nicht-kanonische Aminosäuresequenz. Eine Punktmutation im Selektivitätsfilter des TREK-1-Kanals führt zu einem vergleichbar asymmetrischen Filter und einer abweichenden Na+-Permeabilität. Im Rahmen dieses Projekts werden wir die Mechanismen studieren, die der Variabilität der Ionenselektivität von TWIK-1 und der TREK-1-Mutante unterliegen. Außerdem werden wir die Reversion der Ionenselektivität durch das Molekül BL-1249 beleuchten und deren Korrelation mit der Symmetrie und Dynamik des Selektivitätsfilters untersuchen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2518: Funktionale Dynamik von Ionenkanälen und Transportern - DynIon -