Molekulare Mechanismen der Interaktion von Natriumkanälen und Skorpion-alpha- und -beta-Toxinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (NaV-Kanäle) spielen eine tragende Rolle bei der elektrischen Signalgenerierung und –weiterleitung in erregbaren Zellen. Toxine zahlreicher giftiger Lebewesen zielen daher darauf ab, mit NaV-Kanälen zu interferieren und somit den entsprechenden Organismus zu lähmen oder zu töten. Neben der Blockade der Ionenpore stellt die gezielte Wechselwirkung mit den Spannungssensoren der NaV-Kanäle einen wirkungsvollen Mechanismus dar. Dieser liegt auch der Aktivität der langkettigen α- und β-Toxine aus Skorpionen zugrunde. Diese strukturell sehr homologen Peptidtoxine von ca. 65-72 Aminosäuren Länge führen in erster Linie zu einer Aktivierung von NaV-Kanälen (gain-of-function effect), was eine neuronale Hypererregbarkeit zur Folge hat. Darüber hinaus wurde aber auch besonders bei β-Toxinen eine gegenteilige physiologische Wirkung beschrieben. Ziel dieses Projektes war es herauszufinden, wie α- und β-Toxine an NaV-Kanälen andocken und damit eine Kanal-Subtypspezifität erlangen, nach welchen molekularen Mechanismen die Toxine wirken und inwiefern die Wirkungen von α- und β-Toxinen mit denen der sehr viel kleineren δ- und μO-Conotoxinen aus marinen Kegelschnecken zu vergleichen sind. Durch die Herstellung von Chimären aus unterschiedlichen NaV-Kanälen und deren funktionelle Untersuchung mit elektrophysiologischen Methoden konnte gezeigt werden, dass α- und β-Toxine trotz ihrer sehr ähnlichen Struktur auf vollkommen unterschiedlichen Weise die NaV-Kanäle beeinflussen, da sie mit unterschiedlichen Spannungssensoren (α: Domäne-4; β: Domäne-2) interagieren. Die Subtypspezifität speziell von β-Toxinen wird aber über eine weitere Interaktion mit der Porenregion von Domäne-3 vermittelt, wobei die Porenregion von Domäne-1 bei α-Toxinen eine tragende Rolle spielt. α- und β-Toxine docken somit rotationsymmetrisch an der Außenseite der NaV-Kanäle an. Im Bereich der kurzkettigen (ca. 25 Aminosäuren) Conotoxine haben δ-Conotoxine ähnliche Wirkungen wie Skorpion-α-Toxine und können sogar synergistisch wirken. O-Conotoxine hingegen sind funktionell den Skorpion-β-Toxinen sehr ähnlich und zeigen Kompetition mit diesen. Allerdings vermögen O-Conotoxine den Spannungssensor von Domäne-2 nur in seiner Aktivierung zu behindern, während β-Toxine zusätzlich auch das Abschalten aktivierter NaV-Kanäle verlangsamen. Je nach Aktivitätsrate des Kanals führen β-Toxine demnach zu einer Inhibition oder zu einer gesteigerten Aktivierung des Kanals, womit eine molekulare Erklärung für die organismischen Wirkungen von β-Toxinen, nämlich erregend (excitatory) und hemmend (depressant), gefunden werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2004). Combinatorial interaction of scorpion α-toxins Lqh-3, Lqh-2 and LqhαIT with sodium channel receptor sites-3. Molecular Pharmacology 65 685–691
Leipold, E., S.Q. Lu, D. Gordon, A. Hansel, S.H. Heinemann
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(2004). Isolation, molecular cloning and functional characterization of a novel β-toxin from the Venezuelan scorpion, Tityus zulianus. Toxicon 43 671–684
Borges, A., M.J. Alfonzo, C.C. Garcia, N.J. Winand, E. Leipold, S.H. Heinemann
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(2005). Molecular interaction of δ-conotoxins with voltage-gated sodium channels. FEBS Letters 579 3881–3884
Leipold, E., A. Hansel, B.M. Olivera, H. Terlau, S.H. Heinemann
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(2006). Subtype specificity of scorpion β-toxin Tz1 interaction with voltage-gated sodium channels is determined by the pore loop of domain 3. Molecular Pharmacology 70 340–347
Leipold, E., A. Hansel, A. Borges, S.H. Heinemann
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(2007). Conotoxins of the O-superfamily affecting voltagegated sodium channels. Cellular and Molecular Life Sciences 64 1329–1340
Heinemann, S.H., E. Leipold
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(2007). The unique pharmacology of the scorpion α-like toxin Lqh3 is associated with its flexible C-tail. FEBS Journal 274 1918–1931
Karbat, I., R. Kahn, L. Cohen, N. Ilan, N. Gilles, G. Corzo, O. Froy, M. Gur, G. Albrecht, S.H. Heinemann, D. Gordon, M. Gurevitz
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(2007). μO-conotoxins inhibit NaV channels by interfering with their voltage sensors in domain-2. Channels 1 253–262
Leipold, E., H. DeBie, S. Zorn, A. Borges, B.M. Olivera, H. Terlau, S.H. Heinemann
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(2011). Molecular determinants of the subtype specificity of μ-conotoxin SIIIA targeting neuronal voltage-gated sodium channels. Neuropharmacology 61 105–111
Leipold, E., R. Markgraf, A. Miloslavina, M. Kijas, J. Schirmeyer, D. Imhof, S.H. Heinemann
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(2012). Scorpion β-toxin interference with NaV channel voltage sensor gives rise to excitatory and depressant modes. Journal of General Physiology 139 305–319
Leipold, E., A. Borges, S.H. Heinemann
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(2012). Structurally diverse μ-conotoxin PIIIA isomers block sodium channel NaV1.4. Angewandte Chemie International Edition 51 4058–4061
Tietze, A.A., D. Tietze, O. Ohlenschläger, E. Leipold, F. Ullrich, T. Kühl, A. Mischo, G. Buntkowsky, M. Görlach, S.H. Heinemann, D. Imhof
