Kalziumkanäle vom L-Typ

Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle sind essentiell für die Kopplung der Membrandepolarisation mit dem Kalziumzufluss in allen erregbaren Zellen. Das Kalzium, das durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle in erregbare Zellen fließt, hat eine doppelte Funktion und erzeugt sowohl elektrische als auch chemische Signale. Die intrazellulären Ereignisse, die durch Kalzium gesteuert werden, sind vielfältig und vielfältig. Erregbare Zellen können aus einer Reihe von funktionell unterschiedlichen spannungsgesteuerten Ca2 + -Kanal-Untereinheiten auswählen, deren Aktivitäten genau auf bestimmte Aufgaben abgestimmt sind. Dazu gehören die Erregungs-Kontraktions-Kopplung im Muskel, die Erregungs-Sekretion-Kopplung in Neuronen, Haarzellen und endokrinen Zellen sowie die Regulation der Genexpression.1-5 Zehn Gene kodieren die Hauptuntereinheit CaVa1 des spannungsgesteuerten Calciumkanalkomplexes bei Säugetieren.6 Sequenzvergleiche zwischen CaVa1-Genen aus mehreren Genomen zeigen drei Hauptfamilien, CaV1a1, CaV2a 1 und CaV3a 1.6

Bereits vor der Verfügbarkeit selektiver Toxine zeigten mehrere Forscher, dass mehrere funktionell unterschiedliche Klassen spannungsgesteuerter Calciumkanäle in einer Vielzahl von Zelltypen exprimiert werden, einschließlich Herz.8-11 Diese Einteilung basierte auf dem Vorhandensein von zwei verschiedenen Klassen von Calciumkanälen, die sich in ihrer Spannungsabhängigkeit der Aktivierung signifikant unterschieden. Das Konzept der niederspannungsaktivierten und hochspannungsaktivierten Calciumkanäle wurde etabliert, und obwohl es einfach ist, bleibt dies ein nützlicher und informativer Weg, um zwischen verschiedenen Klassen von Calciumkanälen zu unterscheiden.

Bestimmte Merkmale sind aus Studien mit spannungsgesteuerten Kalziumkanälen in Herz und Neuronen hervorgegangen, die eine Reihe von Standardkriterien festgelegt haben, um das Vorhandensein eines bestimmten Ca2 + -Kanalsubtyps zu definieren. Niederspannungsaktivierte Ca2 + -Kanäle vom T-Typ, die CaV3a1-Untereinheiten (a1G, a1H, a1I) enthalten, aktivieren sich schnell, deaktivieren sich langsam, zeigen eine ausgeprägte spannungsabhängige Inaktivierung und sind unempfindlich gegen Dihydropyridine und mehrere andere Toxine, die neuronale Calciumkanäle hemmen. In Studien an Herzgewebe sind hochspannungsaktivierte Kanäle zum Synonym für L-Typ CaV1a1 (a1C, a1D) -haltige Kanäle geworden, die mit langsamerer Kinetik aktiviert, aber schneller deaktiviert werden als T-Typ. Sie zeigen eine schwache spannungsabhängige Inaktivierung, aber eine starke calciumabhängige Inaktivierung und sind empfindlich gegenüber Dihydropyridinen.6,12 In Neuronen werden hochspannungsaktivierte Ca2 + -Kanäle weiter in dihydropyridinempfindliche, L-Typ- und dihydropyridinunempfindliche, P / Q-, N- und R-Typ-Kanäle unterteilt, die CaV2a1-Untereinheiten (a1a, a1B, A1E) enthalten.6,12,13

Mit niedrigen Aktivierungsschwellen und ausgeprägter spannungsabhängiger Inaktivierung sind Ca2 + -Kanäle vom T-Typ so optimiert, dass sie zur Depolarisierung von Strömen während der langsamen diastolischen Depolarisationsphase beitragen, die die Schrittmacherei im Sinusknoten (SA) unterstützt.8,9,14,15 Das Vorhandensein von CaV3a1-Genen im Knotengewebe des Herzens unterstützt diese Ansicht.16 L-Typ Ca2 + -Kanäle hingegen waren bis vor kurzem an späteren Phasen der diastolischen Depolarisation beteiligt, da das Membranpotential über etwa -30 mV hinaus depolarisiert. Ihre Abhängigkeit von einer stärkeren Depolarisation zur Aktivierung steht im Einklang mit der Ansicht, dass L-Typ-Ca2 + -Kanäle nicht zur Initiierung des Aktionspotentials beitragen. Neuere Studien an CaV1.3α1-Knockout-Mäusen, einschließlich derjenigen von Chiamvimonvat und Kollegen, die in dieser Ausgabe von Circulation Research berichtet wurden, bieten jedoch überzeugende Beweise für eine Rolle von L-Typ-Ca2 + -Kanälen bei der Initiierung von Aktionspotenzialen im SA-Knoten.17,18 In beiden Studien zeigen Mäuse, denen das L-Typ-CaV1.3α1-Gen fehlt, eine signifikante SA-Knotenfunktionsstörung, die durch Sinusbradykardie gekennzeichnet ist. Andere Forscher berichten auch über einen vollständigen Hörverlust, der mit einer ausgeprägten Expression von CaV1.3α1 in inneren Haarzellen der Cochlea übereinstimmt.18,19

Diese Ergebnisse sind eindeutig paradox zu klassischen Beschreibungen von L-Typ-Ca2 + -Kanälen als hochspannungsaktiviert. Die Erklärung ist relativ einfach. CaV1.3α1 L-Typ Ca2+ Kanäle sind nicht hochspannungsaktiviert. Beweise, die diese Schlussfolgerung stützen, werden sowohl in den Striessnig- als auch in den Chiamvimonvat-Studien präsentiert, indem Eigenschaften von nativen Strömen in Wildtyp- und CaV1.3α1-Knockout-Mäusen verglichen werden.17,18 Weitere Studien, die die funktionellen Eigenschaften kürzlich klonierter CaV1.3α1-Untereinheiten charakterisieren, die aus Neuronen und endokrinen Zellen isoliert wurden, bieten zusätzliche Unterstützung.18,20−22

Striessnig und Kollegen nahmen aus inneren Haarzellen der Cochlea von CaV1.3α1−/- Mäusen auf und zeigten einen selektiven Verlust eines niedrigschwelligen aktivierenden Ca2+-Stroms. Daraus folgerten sie das Vorhandensein eines ähnlichen Stroms in SA-Knotenzellen, um die beobachteten Anomalien bei der Schrittmacherei bei denselben Mäusen zu erklären.18 Chiamvimonvat und Kollegen testen diese Hypothese nun direkt, indem sie vom SA-Knoten und von isolierten Zellen von Wildtyp− und CaV1.3α1− / – Mäusen aufzeichnen.17 Wie in dieser Ausgabe von Circulation Research berichtet, ist das Fehlen von CaV1.3α1 mit einer verringerten Rate des Abfeuerns des SA-Knotens, einer Verlangsamung der diastolischen Depolarisationsrate bei relativ hyperpolarisierten Spannungen (-40 und -45 mV) und dem Verlust des Calciumstroms in isolierten SA-Knotenzellen verbunden, die bei relativ hyperpolarisierten Membranpotentialen aktiviert werden.17 Diese neuen Studien bieten starke Unterstützung, dass CaV1.3α1-Ablation, SA-Knotenfunktionsstörung und der Verlust eines niedrigschwelligen aktivierenden Ca2 + -Stroms in SA-Knotenzellen sind eng miteinander verbunden.

Werden alle L-Typ-Ca2 + -Kanäle, die die CaV1.3α1-Untereinheit enthalten, bei hyperpolarisierten Spannungen aktiviert? Die Antwort ist wahrscheinlich ja, basierend auf jüngsten funktionellen Analysen von rekombinanten CaV1.3α1-Kanälen.20-22 Die Abbildung vergleicht die Spitzenstromspannungsbeziehungen von CaV1.3α1 L-Kanälen mit hochspannungsaktivierten CaV1.2α1 L-Kanälen und mit niederspannungsaktivierten CaV3.1α1 T-Kanälen. Der große Unterschied in der Spannungsabhängigkeit der Aktivierung zwischen den beiden L-Typ-Ca2 + -Kanälen ist ebenso auffällig wie die Ähnlichkeit der Aktivierungsschwellen von CaV1.3α1 L-Typ- und CaV3.1α1 T-Typ-Kanälen.20,23 Während die Eigenschaften von Calciumkanälen durch mehrere Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Assoziation mit spezifischen Hilfsuntereinheiten, begünstigen die ähnlichen Merkmale von CaV1.3α1-Untereinheiten, die aus verschiedenen Geweben kloniert wurden,20-22, kombiniert mit zwei Genablationsstudien an Mäusen,17,18 die Schlussfolgerung, dass eine niederspannungsabhängige Aktivierung ein intrinsisches Merkmal von CaV1 ist.3α1-enthaltende L-Typ Ca2 + -Kanäle. Offensichtlich existieren signifikante funktionelle Unterschiede zwischen L-Typ Cav1a1-Genen.

Wenn CaV1.3α1-haltige L-Kanäle bei hyperpolarisierten Membranpotentialen aktiviert werden, ist es ziemlich überraschend, dass dieses Merkmal in früheren Studien klonierter und heterolog exprimierter Kanäle nicht hervorgehoben wurde. Obwohl andere Faktoren mit ziemlicher Sicherheit die Kanaleigenschaften beeinflussen, hat die Konzentration des extrazellulären zweiwertigen Kations große Auswirkungen auf die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung als Ergebnis des Ladungsscreenings und ist ein Faktor, der sich zwischen den Studien signifikant unterscheidet. Aus unbekannten Gründen war das Erreichen hoher Expressionsniveaus von CaV1.3α1-Klonen bis vor kurzem problematisch. Um niedrige Stromdichten auszugleichen, wurden Konzentrationen von extrazellulärem Calcium und Barium bis zu 40 mmol / l verwendet.17,24 Wie von Zhang et al.,17 vorgeschlagen, trägt dies wahrscheinlich zu der Diskrepanz zwischen den Eigenschaften rekombinanter CaV1.3α1-Kanäle und dem Aktivierungsbereich bei, der von funktionellen Analysen nativer Ströme in SA-Knotenzellen erwartet wird. Die Verwendung hoher Konzentrationen extrazellulärer zweiwertiger Kationen in früheren Studien klonierter Kanäle verdeckte wahrscheinlich den ungewöhnlich hyperpolarisierten Aktivierungsbereich von Cav1.3α1 L-Kanälen. Es ist bemerkenswert, dass die Cav1.3α1 L-Typ-Strom-Spannungs-Beziehung in Richtung Spannungen ≈20 mV depolarisierter und in den Bereich eines hochspannungsaktivierten L-Typ-Kanals verschoben wird, wenn 40 mmol/L Barium verwendet wird.20

Zukünftige Studien werden erforderlich sein, um die relative Bedeutung von CaV1.3α1-haltigen L-Typ-Ca2 + -Kanälen bei der Schrittmacherei im Herzen zu untersuchen. Obwohl CaV1.3α1-mRNA in atrialen Myozyten vorhanden ist,25 Neuere Studien legen nahe, dass die Spiegel im SA-Knoten sehr niedrig sind, insbesondere im Vergleich zu CaV3.1α1-mRNA vom T-Typ.16 Die Verfügbarkeit eines selektiven Inhibitors von CaV1.3α1-haltige L-Kanäle würden sich als nützliches Werkzeug erweisen, um den relativen Beitrag dieses Kanals zur SA-Knotenfunktion zu bestimmen. Klassische Ca2 + -Kanalblocker vom L-Typ sind in dieser Hinsicht nicht nützlich. Neuere Studien von rekombinanten CaV1.3α1 L-Typ-Kanälen deuten auf eine relativ geringe Empfindlichkeit gegenüber Block durch Dihydropyridine im Vergleich zu CaV1.2α1 L-Typ-Kanälen hin.20,21 Es wird von Interesse sein festzustellen, ob eine eindeutige Spleißisoform von CaV1.3α1 im SA-Knoten exprimiert wird. Es gibt Hinweise auf ein gewisses Maß an vorhofspezifischem Spleißen von CaV1.3α1-RNA im S3-S4-Linker der Domäne IV des Kanals.25 Das Spleißen an dieser Stelle verschiebt die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung um < 10 mV und scheint die Dihydropyridinbindung nicht zu beeinflussen.20 Schließlich ist es angesichts der Betonung der Ähnlichkeiten zwischen CaV1.3α1 L-Typ- und T-Typ-Ca2 + -Kanälen hinsichtlich ihrer Aktivierungsschwellen erwähnenswert, Merkmale, die diese Kanäle unterscheiden. Während T-Typ-Ca2 + -Kanäle eine ausgeprägte spannungsabhängige Inaktivierung erfahren, zeigen CaV1.3α1 L-Typ-Ca2 + -Kanäle eine schwache spannungsabhängige, aber starke calciumabhängige Inaktivierung. Ferner deaktivieren sich CaV1.3α1 L-Typ-Ca2 + -Kanäle schnell im Vergleich zu T-Typ-Ca2 + -Kanal-Subtypen, die im Herzen dominieren.

Die in diesem Leitartikel geäußerten Meinungen sind nicht unbedingt die der Herausgeber oder der American Heart Association.

Fußnoten