Cav1.3 L-Typ Kalziumkanal Dysfunktion bei menschlichen Erkrankungen

Spannungsabhängige Calcium-Kanäle werden bei Stimulation von elektrisch erregbaren Zellen geöffnet. Sie sind für Kalziumionen selektive Poren in der Plasmamembran und steuern damit den Calcium-Einstrom in die Zelle. Das resultierende Calcium-Signal triggert wichtige physiologischeProzesse, wie Muskelkontraktion, Hören, Herzschlag und neuronale Funktionen. L-Typ Calcium-Kanäle (LTCK) sind bereits ein etablierter Angriffspunkt für sog. Calcium-Kanalblocker. Diese Pharmaka werden weltweit zur Therapie des Bluthochdrucks, der Angina pectoris und von Herzrhythmusstörungen eingesetzt. Es existieren vier unterschiedliche Isoformen von LTCK, wobei Cav1.2 und Cav1.3 die in den meisten Geweben am häufigsten vorkommenden Formen sind. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es herauszufinden, wie Veränderungen der Funktion von Cav1.3 Kanälen physiologische Prozesse beeinflussen und wie dies zu menschlichen Erkrankungen führt. Dabei bauen wir auf frühere Forschungsergebnisse unserer Arbeitsgruppe auf, in denen wir einerseits einen neuen regulatorischen Mechanismus dieser Kanäle aufklären konnten, der im C-terminalen Abschnitt des Proteins auch durch alternatives Spleißen reguliert wird. Außerdem konnten wir vor kurzem auch erstmals menschliche Erkrankungen beschreiben, welche durch eine erhöhte Aktivität dieser Kanäle ausgelöst werden.Währendwir bisher die physiologische Bedeutung dieser Kanälein vergangenen Forschungsprojekten durch selektive genetische oder pharmakologische Hemmung aufgeklärt haben, wollen wir nun erforschen, wie sich einerseits geringfügige Störungen der Regulation von Cav1.3 auswirken und welche Konsequenzen die dauerhafte Überfunktion dieser Kanäle in Organismus von Mäusen und Menschen hat. Dies ist insbesondere von medizinischer Bedeutung, da für solche Störungen mit inadäquater Cav1.3 Kanalfunktion bereits als Blutdrucksenker verfügbare Kalziumkanalblocker von therapeutischem Interesse sein könnten. Um dies zu studieren nützen wir ein von uns bereits erfolgreich erzeugtes und validiertes Mausmodell. In diesem wurde die von uns entdeckte regulatorische Domäne im C-terminalen Abschnitt des Kanals durch Insertion eines HA-Antikörper Epitopes inaktiviert. Dies erlaubt uns die Folgen abnormer, von alternativem Spleißen abhängiger geringfügiger funktioneller Änderungen von Cav1.3 Kanälen in vivo und in vitro zu studieren. Wir nützen außerdem Ergebnisse von uns kürzlich entdeckter menschlicher Mutationen mit Cav1.3 aktivierenden Eigenschaften, welche überraschend in Tumoren der Nebennierenrinde und bei Personen mit einem angeborenen Syndrom mit Bluthochdruck und komplexen Störungen multipler Organe gefunden wurden. Eine dieser Mutationen bauen wir gezielt im Genom von Mäusen ein, um die Auswirkungen der Kanalüberfunktion in verschiedenen Organen zu studieren. Damit sollen nicht nur neue Funktionen dieses Kanals entdeckt werden, sondern auch diese komplexe Erkrankung besser verstanden werden. Unsere Experimente sollten außerdem neue Erkenntnisse zur Rolle hyperaktiver Cav1.3 Kanäle bei abnormaler neuronaler Entwicklung liefern, welche z.B. bei zentralen Hörstörungen und Autismus beobachtet wird.

Spannungsabhängige Calciumkanäle werden bei Stimulation von elektrisch erregbaren Zellen geöffnet. Sie sind für Calciumionen selektive Poren in der Plasmamembran und steuern damit den Calcium-Einstrom in die Zelle. Das resultierende Calcium-Signal triggert wichtige physiologische Prozesse, wie Muskelkontraktion, Hören, Herzschlag, endokrine und neuronale Funktionen. L-Typ Calcium-Kanäle sind bereits ein etablierter Angriffspunkt von sog. Calcium-Kanalblockern (wie Amlodipin). Diese Pharmaka werden weltweit zur Therapie des Bluthochdrucks, der Angina pectoris und von Herzrhythmusstörungen eingesetzt. Es existieren vier unterschiedliche Isoformen von L-Typ Calcium-Kanälen, wobei Cav1.2 und Cav1.3 die in den meisten Geweben am häufigsten vorkommenden Formen sind. Ziel dieses Forschungsprojekts war es herauszufinden, wie Veränderungen der Funktion von Cav1.3 Kanälen physiologische Prozesse beeinflussen und wie dies zu menschlichen Erkrankungen führt. Dabei bauten wir auf früheren Forschungsergebnisse unserer Arbeitsgruppe auf, in denen wir entdeckten, dass genetische Erkrankungen, bei denen es zum Verlust des Cav1.3 Calciumkanalproteins kommt, mit Hörstörungen und unregelmäßigem Herzschlag einhergehen. In diesem Projekt konnten wir nun zeigen, dass genetische Erkrankungen, die zu einer erhöhten Cav1.3 Calciumkanalaktivität führen, schwere neuronale Entwicklungsstörungen, oft auch mit zusätzlichen hormonalen Störungen, bewirken können. Wir haben daher ein Tiermodell entwickelt, in dem wir eine menschliche Mutation, die bei einem 8-jährigen Mädchen für autistische Störungen und verminderte Intelligenz verantwortlich ist, in das entsprechende Gen (cacna1d) von Mäusen eingefügt haben. Diese Mäuse weisen viele der menschlichen Verhaltensstörungen auf und auch solche, die in anderen PatientInnen mit solchen Mutationen beobachtet wurden. Dieses Model ermöglicht es uns nun, zu testen, ob die Gabe von den o.g. Calciumkanalblockern auch zu einer Verminderung der Symptomatik bei Mäusen führt. Dies würde dann auch die symptomatische Behandlung solcher PatientInnen mit diesen Medikamenten rechtfertigen. Wir konnten außerdem nachweisen, dass Cav1.3 Kanäle gegenüber diesen Calciumkanalblockern eine etwas geringere Empfindlichkeit besitzen als die für die Blutdrucksenkung verantwortlichen Cav1.2 Kanäle in den Blutgefäßen. Allerdings konnten wir mittels standardisierter in vitro Versuche nachweisen, dass einige der Mutanten (einschließlich jener in unserem Mausmodell) eine erhöhte Sensitivität gegenüber Calciumkanalblockern aufweisen, einige allerdings auch eine geringere. Damit ist es uns möglich für klinische Behandlungsversuche PatientInnen mit jenen Mutationen auszuwählen, die mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auf die Therapie ansprechen. Weiter ist es uns in diesem Projekt gelungen, eine neue und unerwartete Funktion von Cav1.3 Kanälen aufzuklären. Sie sind in den Schrittmacherzellen des Herzens auch verantwortlich für die Ausbildung eines für die Schrittmacherfunktion wichtigen Natriumkanals. In Zellen des Hörorgans konnten wir zeigen, dass Cav1.3 Calciumkanäle mit bestimmten anderen Proteinen assoziieren, um bestimmte biophysikalische Eigenschaften zu stabilisieren, welche für den normalen Hörvorgang als essentiell angesehen werden.