Eigenschaften und Funktion des rezeptoraktivierten Kalziumeinstroms durch TRP Kanäle in Nervenzellen von Fruchtfliegen und Mäusen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die durch das Emmy Noether-Programm geförderte Arbeitsgruppe erforschte unter meiner Leitung in den Jahren 2003 – 2010 hauptsächlich die in Säugetieren vorkommenden Ionenkanäle TRPM3 und TRPM1 und den aus der Fliege Drosophila melanogaster stammenden Kanal dmTRPM. Die Eigenschafen aller drei Kanäle war zu Beginn der Arbeiten vollständig unbekannt. Das erste Ziel war daher nachzuweisen, dass diese Proteine tatsächlich funktionelle ionenleitende Poren bilden. Dieser Nachweis gelang für alle drei Kanalproteine durch die funktionelle Charakterisierung von mutierten Kanälen, deren ionenleitende Pore so verändert war, dass biophysikalisch unterscheidbare Veränderungen in den Poreneigenschafen aufraten. Daran anschließend wurden die Permeationseigenschafen der drei Kanäle untersucht. Für alle drei Proteine konnte gezeigt werden, dass sie unselektive Kationenkanäle mit erheblicher, teils sehr hoher Permeabilität für divalente Kationen bilden. Interessanterweise sind TRPM3 und dmTRPM, nicht aber TRPM1, auch für Zn²⁺ Ionen permeabel. TRPM3 und TRPM1 konnten auch pharmakologisch charakterisiert werden. So konnten wir zeigen, dass beide Proteine Kanäle bilden, die durch das endogen in Säugetieren vorkommende Steroid Pregnenolonsulfat aktiviert werden. Für TRPM3 konnten wir weiterhin zeigen, dass die gebildeten Kanäle auch durch das Dihydropyridin Nifedipin aktiviert werden, während sie von einigen Flavanonen, wie z. B. Naringenin und Isosakuranetin, inhibiert werden. Die Entdeckung von Pregnenolonsulfat als Agonist von TRPM3 (TRPM1 wird nur relativ schwach von dieser Substanz aktiviert) erlaubte es, funktionelle TRPM3 Kanäle, die endogen exprimiert werden, zu entdecken und zu charakterisieren. Auf diese Weise wurden TRPM3 Kanäle in nozizeptiven Rezeptorzellen der Hinterwurzelganglien und in β-Zellen der pankreatischen Inseln nachgewiesen. Die Aktivierung der Kanäle in diesen Zellen führt zu Schmerzwahrnehmung, bzw. zu einer Verstärkung der glukoseinduzierten Ausschütung von Insulin. Unsere Arbeiten zu ausgewählten Vertretern der TRPM Unterfamilie hat den Weg geebnet die physiologische Bedeutung und pathologische Relevanz dieser Proteine zu untersuchen. Mitlerweile haben einige Arbeitsgruppen, darunter auch meine eigene, diesen Weg eingeschlagen und proftieren dabei entscheidend von den in diesem Emmy Noether-Projekt gefundenen pharmakologischen Werkzeugen und den bisher erarbeiteten Erkenntnissen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2005) Alternative splicing switches the divalent cation selectivity of TRPM3 channels. J Biol Chem 280:22540-22548
Oberwinkler J, Lis A, Giehl KM, Flockerzi V, Philipp SE
- (2005) Characterization of a proton-activated, outwardly rectifying anion channel. J Physiol 567:191-213
Lambert S, Oberwinkler J
- (2005) Light-activation, adaptation and cell survival functions of the Na⁺/Ca²⁺ exchanger, CalX. Neuron 45:367-378
Wang T, Xu H, Oberwinkler J, Gu Y, Hardie RC, Montell C
- (2005) Mechanisms of light adaptation in Drosophila photoreceptors. Curr Biol 15:1228-1234
Gu Y, Oberwinkler J, Postma M, Hardie RC
- (2007) TRPM3, a biophysical enigma? Biochem Soc Trans 35:89- 90
Oberwinkler J
- (2007) TRPM3. Handb Exp Pharmacol 179:253-267
Oberwinkler J, Philipp SE
- (2008) Transient Receptor Potential M3 channels are ionotropic steroid receptors in pancreatic β cells. Nature Cell Biol 10:1421-1430
Wagner TFJ, Loch S, Lambert S, Straub I, Mannebach S, Mathar I, Düfer M, Lis A, Flockerzi V, Philipp SE, Oberwinkler J
- (2010) TRPM channels mediate zinc homeostasis and cellular growth during Drosophila larval development. Cell Metab 12:386-397
Georgiev P, Okkenhaug H, Drews A, Wright D, Lambert S, Flick M, Carta V, Martel C, Oberwinkler J, Raghu P
- (2010) TRPM3 channels provide a regulated infux pathway for zinc in pancreatic β cells. Pflügers Arch 460:755-765
Wagner TFJ, Drews A, Loch S, Philipp SE, Lambert S, Oberwinkler J
- (2011) Transient Receptor Potential Melastatin 1 (TRPM1) is an ion-conducting plasma membrane channel inhibited by zinc ions. J Biol Chem 286:12221-12233
Lambert S, Drews A, Rizun O, Wagner TF, Lis A, Mannebach S, Plant S, Portz M, Meissner M, Philipp SE, Oberwinkler J
- (2011) TRPM3 is a nociceptor channel involved in the detection of noxious heat. Neuron 70:482-494
Vriens J, Owsianik G, Hofmann T, Philipp SE, Stab J, Chen X, Benoit M, Xue F, Janssens A, Kerselaers S, Oberwinkler J, Vennekens R, Gudermann T, Nilius B, Voets T
- (2012) Alternative splicing of a protein domain indispensable for function of Transient Receptor Potential Melastatin 3 (TRPM3) Ion Channels. J Biol Chem 287:36663-36672
Frühwald J, Camacho-Londono J, Dembla S, Mannebach S, Lis A, Drews A, Wissenbach U, Oberwinkler J, Philipp SE
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M112.396663) - (2012) Bile acids acutely stimulate insulin secretion of mouse beta-cells via farnesoid X receptor activation and KATP channel inhibition. Diabetes 61:1479-1489
Düfer M, Hörth K, Wagner R, Schitenhelm B, Prowald S, Wagner TFJ, Oberwinkler J, Lukowski R, Gonzalez FJ, Krippeit-Drews P, Drews G
(Siehe online unter https://doi.org/10.2337/db11-0815) - (2013) Citrus fruit and fabacea secondary metabolites potently and selectively block TRPM3. Br J Pharmacol 168:1835-1850
Straub I, Mohr F, Stab J, Konrad M, Philipp SE, Oberwinkler J, Schaefer M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/bph.12076) - (2013) Flavanones that selectively inhibit TRPM3 atenuate thermal nociception in vivo. Mol Pharmacol 84:736-750
Straub I, Krügel U, Mohr F, Teichert J, Rizun O, Konrad M, Oberwinkler J, Schaefer M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1124/mol.113.086843)
