Untersuchungen zur Assemblierung der subunit interaction-Domäne der humanen Kaliumkanäle der KCNQ-Familie insbesondere von KCNQ2 und KCNQ3

Wehling, Christina

Die α-Untereinheiten der humanen, spannungsabhängigen KCNQ-Familie bilden wie alle Kaliumkanäle ein Tetramer aus, dessen korrekte Assemblierung von grundlegender Bedeutung für dessen Funktionalität ist. Dabei können die verschiedenen Familienmitglieder Homo- oder Heteromere ausbilden, dessen Spezifität vermutlich von der unter­ein­heiten­spezifischen Wechselwirkungsdomäne (si-Domäne) kontrolliert wird. In der vorliegenden Arbeit konnte die vorhergesagte Struktur der si-Domäne experimentell be­stätigt werden. Diese bestand aus zwei α-helikalen TCC-Domänen, welche über eine flexible Schleife miteinander verbunden sind. Die TCC-Domänen konnten unabhängig von­ein­an­der parallele coiled-coil Bündel bilden. Es ergab sich somit insgesamt eine doppelte coiled-coil Struktur. Die isolierte si-Domäne von KCNQ2 bildete ein stabiles Tetramer aus, während die si-Domäne von KCNQ3 zeitabhängig Dimere und Tetramere ausbildete. Dieses und andere Ergebnisse unterstützten dabei den postulierten Mechanismus der Dimerisierung von Dimeren zur Bildung der tetrameren KCNQ-Kanäle. In der vorliegenden Arbeit konnten auch Unterschiede zwischen den Assemblierungs­eigen­schaf­ten der isolierten si- und TCC-Domänen gegenüber deren Bedeutung im vollständigen Kanal aufgezeigt werden. Während die TCC2-Domänen von KCNQ2 und KCNQ3 für die Homo­merisierung der Kanäle nicht benötigt wird (Schwake et al., 2006), war eine intakte TCC2-Domäne für die Tetramerisierung der isolierten si-Domänen ausreichend. Eine Inter­ak­tion der TCC1- mit der TCC2-Domäne konnte dabei nicht gezeigt werden. Die isolierten si-Domänen von KCNQ2 und KCNQ3 zeigten verschiedene Hinweise auf eine Hetero­­tetramerisierung miteinander, wobei die heteromeren Spezies noch nicht abschließend isoliert werden konnten. Heteromere KCNQ2/KCNQ3-Kanäle verursachen einen Teil des physiologisch bedeutenden M-Stromes im Gehirn. In der vorliegenden Arbeit wurden drei Bereiche in KCNQ2 und KCNQ3 identifiziert, denen dabei eine Bedeutung bei der Assemblierung homo- und heteromerer Kanäle zukommen könnte. Für KCNE-Proteine, als β-Untereinheiten der KCNQ-Kanäle, wurden ferner coiled-coil Domänen vorhergesagt, über deren Bedeutung bisher keine Erkenntnisse vorliegen. Eine funktionelle Untersuchung dieser neu entdeckten Struktur und ihrer potenziellen Interaktion mit KCNQ α-Untereinheiten wird sicherlich Teil der weiteren Forschung werden.

The α-subunits of the human voltage-gated KCNQ family form tetramers, like all other potassium channels do. Their precise assembly is the basis for their functionality. The different family members can be composed of homotetramers and heterotetramers, which specificity is probably determined by the subunit interaction domain (si domain). In the present thesis the predicted structure of the si domain could be confirmed. It contains two α-helical TCC domains, which are connected by a flexible loop. The TCC domains can form parallel coiled-coil bundles independently from each other. Therefore a tandem coiled-coil structure occurs. The isolated si domain of KCNQ2 assembles as stable tetramers, whereas the isolated si domain of KCNQ3 forms dimers and tetramers in a time dependent manner. This result and other findings support the postulated mechanism of dimerisation of dimers for the assembly of tetrameric KCNQ channels. However, differences in the assembly of the isolated si domains and TCC domains regarding their properties in the full-length channels could also be detected. Whereas the TCC2 domain is dispensable for the homomerisation of KCNQ2 and KCNQ3 (Schwake et al., 2006), an intact TCC2 domain was sufficient for the tetramerisation of the isolated si domains. There­by an interaction between the TCC1 and TCC2 domain could not be demonstrated. The isolated si domains of KCNQ2 and KCNQ3 gave several hints indicating that they may undergo heteromerisation, unfortunately the heteromeric species itself could not be isolated. Heteromeric KCNQ2/KCNQ3 channels are known to generate part of the physiologically important M current in the brain. In the present thesis three regions in KCNQ2 and KCNQ3 could be localised which might influence the assembly of homo- and heteromeric channels. Sequences analysis of KCNE proteins predicted coiled-coil domains for these β-subunits of KCNQ channels. So far nothing is known about the function of their coiled-coil domains. Further investigation of this newly depicted structure and their potential interaction with KCNQ α-subunits should be part of ongoing research.

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Wehling, Christina: Untersuchungen zur Assemblierung der subunit interaction-Domäne der humanen Kaliumkanäle der KCNQ-Familie insbesondere von KCNQ2 und KCNQ3. 2009.

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