Untersuchungen zur funktionellen Relevanz der NBFs in SURs und den molekularen Determinanten der allosterischen Interaktion zwischen den Bindungsstellen für SUs und KCOs

Beyer, Michael

ATP-sensitive K+-Kanäle (KATP-Kanäle) sind Tetradimere aus einem porenbildenden Kalium-Kanal (KIR6.1, 6.2) und einem regulatorischen Sulfonylharnstoffrezeptor (SUR1, 2A, 2B). Sulfonylharnstoffe (SUs) und Kalium-Kanal-Öffner (KCOs, z.B. P1075) beeinflussen die Kanal-Aktivität durch Interaktion mit dem SUR, der mit zwei Nukleotid-bindenden Domänen (NBFs) zur Familie der ABC-Transporter gehört. Auf Basis der Röntgenstrukturanalyse eines eng verwandten Proteins (NBF des TAP1) wurden die Tertiärstrukturen der NBFs des SUR abgeleitet. Anhand der 3D-Modelle, die sich nahezu kongruent und zu TAP1 weitgehend identisch zeigten, ließen sich funktionelle Konsequenzen von Mutationen ableiten, die eine Störung der Insulinsekretion (SUR1) oder cardiovaskuläre Erkrankungen (SUR2) erklären würden. In den NBFs homolog eingeführte Mutationen führten zu qualitativ parallelen Auswirkungen, die durch die MgATP-abhängige [3H]P1075-Bindung in Radioligandbindungsstudien untersucht wurden. Quantitativ waren die Effekte in NBF1 meist stärker ausgeprägt, als Indiz dafür, dass sich eine Hemmung der hydrolytischen Aktivität in NBF1 stärker als in NBF2 auf die Funktion des SUR auswirkt. Die Bindungsstellen für SUs (SUBR) und KCOs sind strikt negativ-allosterisch gekoppelt. Um für die Interaktion beteiligte Regionen der SURs zu identifizieren, wurden systematisch Chimären konstruiert, somit kritische Regionen der SUR-Isoformen transferiert und der Einfluss der Austausche auf die allosterische Kopplung analysiert. Dabei zeigte sich, dass sowohl der C-Terminus des SUR als auch die SUBR kritische Bedeutung besitzt. Mögliche Erklärung für den molekularen Mechanismus ist eine direkte Interaktion dieser Regionen, wobei der SUBR eine Schlüsselfunktion zukommt.

ATP-sensitive K+-channels are assembled with a tetradimeric stoichiometry, a potassium-channel, forming the pore (KIR6.1, 6.2) and a regulatory sulfonylurea receptor (SUR1, 2A, 2B). Sulfonylureas (SUs) and potassium-channel-openers (KCOs, e.g. P1075) exert their effects on channel activity by interaction with SUR, belonging to the superfamily of ABC-transporters and typically including two nucleotide binding folds (NBFs). Based on crystal data of a closely related protein (NBF of TAP1), molecular models of the tertiary structures for the NBFs of SURs were constructed. With these 3D-models, which are almost congruent and largely identical with TAP1, functional consequences of mutations could be elucidated providing plausible interpretations for dysfunction of insulin secretion (SUR1) or cardiovascular disease (SUR2). Homologous mutations in the NBFs showed strictly parallel qualitative responses by assessing the effect of MgATP-induced [3H]P1075 binding in radioligand binding studies. As a rule however the effects were more prominent in NBF1, indicating that inhibition of the hydrolytic activity has a stronger impact for the function of SURs in NBF1 than in NBF2. The receptor binding sites for SUs (SUBR) and KCOs are functionally coupled by strict negative allosterism. To identify regions of SURs involved in interaction, chimeras were constructed systematically by exchanging critical regions between the SUR isoforms and analysed by the effect of the allosteric interaction. The results showed, that both the C-terminal amino acids and the SUBR are critical for the interaction. A possible explanation for the molecular mechanism is a direct interaction of these regions, in which the SUBR has a key function.

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Beyer, Michael: Untersuchungen zur funktionellen Relevanz der NBFs in SURs und den molekularen Determinanten der allosterischen Interaktion zwischen den Bindungsstellen für SUs und KCOs. 2004.

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