title: Hinweise für die funktionelle und dynamische Mikrokompartimentierung von Caveolin-1, TRPV4 und Calcium-aktivierten Kaliumkanälen in den Caveolae von Endothelzellen
title: Evidence for functional and dynamic microcompartmentation of Cav-1/TRPV4/K(Ca) in caveolae of endothelial cells
Creators: name: Goedicke-Fritz, Sybelle
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: KCa3.1
Caveolae
Ca2+-aktivierte K+-Kanäle
KCa2.3, Endothelzelle
TRPV4
Calciumkanal
TRPV4, KCa3.1
Kaliumkanal, Ionenkanal
KCa2.3
potassium channel
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
calcium channel

description: Cardiovascular diseases are the
      major cause of death worldwide. Especially arterial
      hypertension contributes as a risk factor for cardiovascular
      diseases. Hypertension is often associated with endothelial
      dysfunction, athero- and arteriosclerosis, and pathological
      vascular remodeling. For blood pressure regulation, the
      endothelium releases relaxing and contracting factors and
      thereby adjusts smooth muscle contractility. Prostacyclin
      (PGI2) and nitric oxide (NO) were the earliest identified
      endothelium-dependent vasodilators. Next to them, the
      endothelium possess a third vasodilator system, the
      endothelium-derived hyperpolarizing factor (EDHF). While the
      role of endothelial NO and PGI2 for local and systemic blood
      pressure control is well established, the nature of EDHF and
      EDHF-signalling pathways is not fully understood. However,
      Ca2+-activated K+ channels (KCa) play a pivitol role in the
      endothelium-dependent hyperpolarization and regulation of
      vascular tone and blood pressure. For activation, KCa depend
      on an increase of intracellular calcium which is
      substantially mediated by Ca2+-permeable cation channels
      including the transient receptor potential V4 (TRPV4). It has
      been proposed that KCa- and Ca2+-permeable cation channels
      may be spatially associated to form functional units, and
      caveolae of the cell membrane have been suggested as possible
      scaffolds for such microcompartmental organization. Caveolae
      are small, omega-shaped membrane invaginations present on the
      surface of many mammalian cell types. They are enriched in
      cholesterol and sphingolipids and therefore represent
      lipid-raft microdomains. Caveolae function in a variety of
      cellular and physiological processes including endocytosis,
      transcytosis, lipid regulation, signaling, pathogen entry and
      cancer. Caveolin-1, an integral membrane protein, is the
      major coat protein of caveolae. In this study we asked the
      question whether endothelial KCa and TRPV4 are enriched in
      caveolae and whether deletion of caveolin 1 (Caveolin-1), the
      major structural protein of caveolae, affects KCa-currents in
      vivo. We show that TRPV4 and small-conductance KCa2.3 are
      enriched in caveolae of human microvascular endothelial
      cells. Using immunoprecipitation, immunocytology and
      superresolution microscopy, we found that a close and
      caveolae-dependent association exists between caveolin-1,
      TRPV4 and small conductance KCa2.3, but not intermediate
      conductance KCa3.1, in endothelial cells under static
      condition. Also we could show an interaction und
      colocalization between KCa2.3 and TRPV4. Mechanical
      stimulation of cells via exposure to continuous shear stress
      led to a de-novo colocalization of KCa3.1 with Caveolin-1 and
      TRPV4. Patch-Clamp measurements of freshly isolated carotid
      artery endothelial cells (CAEC) from Caveolin-1-/- mice
      demonstrated a ~ 45 % reduction of KCa-mediated potassium
      currents (-54 % for KCa2.3 and -40 % for KCa3.1) when
      compared to wildtype controls. In summary, present work
      provide evidence for a dynamic microcompartimentation of
      TRPV4/KCa in caveolae of endothelial cells and highlight the
      importance of Caveolin-1 for endothelial KCa
      functions.
description: Noch immer zählen kardiovaskuläre
      Erkrankungen zu den häufigsten Todesursachen weltweit.
      Besonders die arterielle Hypertonie stellt nach wie vor einen
      Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen dar. So geht
      Bluthochdruck stets mit einer endothelialen Dysfunktion,
      Athero- und Arteriosklerose, und pathologischen
      Gefäßveränderungen einher. Zur Regulation des Blutdruckes
      setzt das Endothel vasodilatatorische und
      vasokonstriktorische Faktoren frei und beeinflusst so den
      Kontraktionszustand der glatten Muskulatur. Zu den am
      längsten bekannten endothelabhängigen Vasodilatatoren gehören
      Prostazyklin (PGI2) und Stickstoffmonoxid (NO). Neben ihnen
      besitzt das Endothel ein drittes gefäßerweiterndes System,
      den endothelium-derived hyperpolarizing factor (EDHF).
      Während die Funktionen des endothelialen NO und des PGI2 für
      die lokale und systemische Blutdruckregulation heut zu Tage
      weitestgehend bekannt sind, sind die biologischen Mechanismen
      und Signaltransduktionskaskaden des EDHF noch nicht
      vollständig geklärt. Insbesondere Ca2+-aktivierte K+-Kanäle,
      zu denen KCa2.3 und KCa3.1 zählen, spielen eine entscheidende
      Rolle in der endothelabhängigen Hyperpolarisation und in der
      Regulation des Gefäßtonus und des Blutdruckes. Die
      Aktivierung dieser beiden KCa-Kanäle beruht auf einem Anstieg
      der intrazellulären Calciumkonzentration, die weitestgehend
      durch Ca2+- durchlässige Kationenkanäle, einschließlich dem
      transient receptor potential V4 (TRPV4), vermittelt werden.
      Es wir vermutet, dass KCa-Kanäle und Ca2+-durchlässige
      Kationenkanäle räumlich assoziiert sind, eine funktionelle
      Einheit bilden und die Caveolae der Zellmembran hier als
      Mikrokompartimente dienen. Caveolae können als mikroskopisch
      kleine, sackförmige Einstülpungen an der Oberfläche vieler
      Säugerzelltypen beobachtet werden. Sie haben eine
      einzigartige Lipidzusammensetzung und werden wegen ihres
      hohen Gehalts an Cholesterin und Sphingolipiden zu den „Lipid
      Rafts“ gezählt. Die Caveolae sind an zahlreichen zellulären
      und physiologischen Prozessen beteiligt, z.B. Endozytose,
      Transzytose, Fettstoffwechsel, Virus-Wirt-Interaktion, Krebs
      und Signaltransduktion. Das integrale Membranprotein
      Caveolin-1 stellt das Hauptstrukturprotein der Caveolae dar.
      Die vorliegende Arbeit hat sich mit der Frage beschäftigt, ob
      die endothelialen KCa-Kanäle KCa2.3 und KCa3.1 und der
      Ca2+-durchlässige Kationenkanäle TRPV4 in den Caveolae
      angereichert sind und welchen Effekt ein Fehlen von
      Caveolin-1, dem Strukturprotein der Caveolae, in vivo auf die
      genannten KCa-Ströme hat. Es konnte gezeigt werden, dass
      TRPV4 und KCa2.3 in den Caveolae humaner mikrovaskulärer
      Endothelzellen (HMEC-1) angereichert sind. Mit Hilfe von
      Immunpräzipitations-Studien und immunzytologischen
      Untersuchungen sowie hochauflösender Mikroskopie konnte
      gezeigt werden, dass in humanen mikrovaskulären
      Endothelzellen (HMEC-1) unter statischen Bedingungen eine
      physikalisch und Caveolae-abhängige Assoziation zwischen
      Caveolin-1, TRPV4 und dem KCa2.3 aber nicht mit KCa3.1
      besteht. Zudem konnten wir eine Interaktion und
      Kolokalisation zwischen TRPV4 und KCa2.3 beobachten.
      Schließlich konnten wir nach Applikation laminarer
      Schubspannung eine de novo Kolokalisation von
      KCa3.1/Caveolin-1 und KCa3.1/TRPV4 nachweisen. Anhand von
      Patch-Clamp Versuchen an frisch isolierten Endothelzellen der
      Arteria carotis communis von Caveolin-1-defizienten Mäusen
      konnte eine 45 %-ige Reduktion der KCa-vermittelten
      Kaliumströme im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen gezeigt
      werden (-54 % für KCa2.3 und -40 % für KCa3.1).
      Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit Hinweise für
      eine dynamische Mikrokompartimentierung von TRPV4/KCa in
      Caveolae von Endothelzellen und zeigt die Bedeutung des
      Caveolin-1 für die endothelialen KCa -Funktionen.