Molekulare Mechanismen der Wirkung von Spannungssensor-Toxinen aus Skorpionen und marinen Kegelschnecken auf spannungsgesteuerte Natriumkanäle [Elektronische Ressource] / von Enrico Leipold

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• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 52
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

M o l e k u l a r e M e c h a n i s m e n d e r W i r k u n g v o n
S p a n n u n g s s e n s o r – T o x i n e n a u s S k o r p i o n e n
u n d m a r i n e n K e g e l s c h n e c k e n a u f
s p a n n u n g s g e s t e u e r t e N a t r i u m k a n ä l e







Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum
naturalium (Dr. rer. nat.)




vorgelegt dem Rat der Biologisch-Pharmazeutischen Fakultät
der Friedrich-Schiller-Universität Jena




von Diplom-Biochemiker Enrico Leipold

geboren am 23.06.1977 in Sonneberg


































































1. Gutachter: Prof. Dr. Stefan H. Heinemann
Friedrich Schiller-Universität, Jena

2. Gutachter: Prof. Dr. Ingo Dahse
Friedrich Schiller-Universität, Jena

3. Gutachter: Prof. Dr. Dietrich Mebs
Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt am Main Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung................................................................................................................ 4
1.1 Spannungsgesteuerte Natriumkanäle ................................................................ 4
1.2 Struktur der Na -Kanäle..................................................................................... 5 V
1.3 Na -Kanal-spezifische Neurotoxine aus Skorpionen und marinen V
,,,,,,Kegelschnecken ................................................................................................ 7
2. Übersicht zu den Manuskripten ...........................................................................14
3. Manuskripte...........................................................................................................21
Leipold E., Lu S., Gordon D., Hansel A. and Heinemann S.H. (2004). Combinatorial
interaction of scorpion toxins Lqh-2, Lqh-3 and LqhαIT with sodium channel
receptor sites-3.
Molecular Pharmacology 65: 685-691. ..............................................................21
Leipold E., Hansel A., Olivera B.M., Terlau H. and Heinemann S.H. (2005).
Molecular interaction of δ-conotoxins with voltage-gated sodium channels.
FEBS Letters 579: 3881-3884. ..........................................................................22
Borges A., Alfonzo M.J., Garcia C.C., Winand N.J., Leipold E., and Heinemann S.H.
(2004). Isolation, molecular cloning and functional characterization of a novel
β-toxin from the Venezuelan scorpion, Tityus zulianus.
Toxicon 43: 671-684..........................................................................................23
Leipold E., Hansel A., Borges A. and Heinemann S.H. (2006a). Subtype specificity
of scorpion β-toxin Tz1 interaction with voltage-gated sodium channels is
determined by the pore loop of domain-3.
zur Publikation angenommen bei Molecular Pharmacology...............................24
Zorn S., Leipold E., Hansel A., Bulaj G., Olivera B.M., Terlau H. and Heinemann
S.H. (2006). The µO-conotoxin MrVIA inhibits voltage-gated sodium channels by
associating with domain-3.
FEBS Letters 580: 1360-1364. ..........................................................................25
Leipold E., Borges A. and Heinemann S.H. (2006b). Quantitative description of the
interaction between scorpion β-toxin Tz1 and voltage-gated sodium channels.
in Vorbereitung für Journal of General Physiology.............................................26
Leipold E., Zorn S., Hansel A., Terlau H., Olivera B.M. and Heinemann S.H.
(2006c). The µO conotoxin MrVIA inhibits voltage-gated sodium channels by
immobilizing the voltage sensor in domain-2.
in Vorbereitung für The Journal of Neuroscience...............................................27
4. Diskussion.............................................................................................................28
4.1 Verwendete Methodik .......................................................................................28
4.2 Skorpion-α-Toxine wirken über eine Interaktion mit dem Spannungssensor in
,,,,,,Domäne-4 von Na -Kanälen .............................................................................30 V
4.3 Skorpion-α- und δ-Conotoxine besitzen einen identischen Wirkmechanismus..34
4.4 Die Porenschleife in Domäne-3 vermittelt Na -Kanälen die Sensitivität für V
,,,,,,Skorpion-β- und µO-Conotoxine .......................................................................36
4.5 β-Toxine stabilisieren offene und geschlossene Zustände von Na -Kanälen ....40 V
2 Inhaltsverzeichnis
4.6 µO-Conotoxine wirken über den D2-Spannungssensor der Na -Kanäle ...........41 V
4.7 Das Spannungssensor-Modell ..........................................................................42
4.8 Schlussfolgerung ..............................................................................................44
5. Zusammenfassung................................................................................................45
6. Summary................................................................................................................47
7. Literaturverzeichnis ..............................................................................................49
8. Danksagung...........................................................................................................54
9. Eigenständigkeitserklärung..................................................................................55
10. Lebenslauf ...........................................................................................................56
11. Anhang.................................................................................................................58
12. Autorenvereinbarungen......................................................................................59

























3 Einleitung
1. Einleitung
1.1 Spannungsgesteuerte Natriumkanäle
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (Na -Kanäle) sind entscheidend an der V
Entstehung und der gerichteten Weiterleitung von Aktionspotentialen in erregbaren
Zellen beteiligt. Damit sind sie von zentraler Bedeutung für die elektrische
Signalgebung in Menschen und Tieren (Catterall, 1992). Neun humane Na -Kanäle V
wurden bereits kloniert und funktionell charakterisiert (Abb. 1). Die Kanal-kodierenden
Gene liegen auf verschiedenen Chromosomen und sind wahrscheinlich durch
Genduplikation entstanden (Plummer und Meisler, 1999; Goldin, 2002) (Abb.1).
Kanal Gewebe Chromosom
Na 1.1 Z N S , P N S 2 q 2 4 V
Na 1.2 ZNS 2p23-24V
Na 1.3 ZNS 2q24V
Na 1.4 Skelettmuskulatur 17q23-25V
Na 1.6 ZNS, PNS 12q13V
Na 1.7 PNS, Schwann-Zellen 2q24V
Na 1.5 Herzmuskel 3q21V
Na 1.8 DRG 3q22-24V
Na 1.9 PNS 3q21-24V
50 60 70 80 90 100
Sequenzidentität (%)
Abb. 1: Bereits klonierte und funktionell charakterisierte humane Na -Kanäle. Die vollständigen V
Aminosäuresequenzen der humanen Subtypen Na 1.1-1.9 wurden verglichen und die prozentuale V
Identität der Sequenzen dargestellt. ZNS: Zentralnervensystem, PNS: peripheres Nervensystem, DRG:
dorsal root ganglion.
Elektrophysiologische Experimente am Tintenfischaxon lieferten die Grundlagen zum
qualitativen und quantitativen Verständnis der Vorgänge bei der Entstehung von
Aktionspotentialen (Hodgkin und Huxley, 1952). Beim Ruhepotential (ca. -80 mV) sind
die spannungsabhängigen Ionenkanäle erregbarer Zellen geschlossen. Aufgrund ihres
schnellen Schaltverhaltens öffnen Na -Kanäle sehr schnell (<1 ms) bei einer V
+Depolarisation der Zellmembran und bewirken durch den Einstrom von Na -Ionen in
die Zelle eine weitere Depolarisation der Membran, welche weitere Na -Kanäle V
aktiviert (öffnet). Diese positive Rückkopplung ist für den
Alles-oder-Nichts-Mechanismus des Aktionspotentials verantwortlich. Kurze Zeit
(1-2 ms) nach ihrer Aktivierung inaktivieren (schließen) Na -Kanäle spontan. Dieser V
Vorgang sichert die gerichtete Ausbreitung von Aktionspotentialen. Die Zurückführung
4 Einleitung
der Na -Kanäle in ihre deaktivierte Konformation ist die Vo