title: Regulation von TASK Kalium Kanälen durch G-Protein gekoppelte Rezeptoren
title: Regulation von TASK Kalium Kanälen durch G-Protein gekoppelte Rezeptoren
title: Regulation of TASK potassium channels by G-protein coupled receptors
Creators: name: Wilke, Bettina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Kaliumkanal
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
Phospholipase C
Diacylglycerol , zerebelläre Körnerzellen
Phospholipase C , G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Cerebellar granule neurons , Diacylglycerol
GPCR
Potassium channel

description: TASK potassium channels control the
      membrane potential in many cell types and thus affect a
      plethora of cellular functions such as excitability of
      neurons and cardiac muscle, and secretion of aldosterone in
      the adrenal gland. Although commonly termed ‘leak channels’,
      TASK channels are highly regulated. Most importantly, they
      are strongly inhibited by a variety of hormones and
      neurotransmitters activating Gq-protein coupled receptors
      (GqPCRs). Despite extensive studies of TASK inhibition by the
      GqPCR-induced signaling cascade, the underlying mechanism of
      channel regulation has not been elucidated. Thus I aimed to
      unravel the second messenger responsible for GqPCR-mediated
      TASK channel inhibition and validate my findings from the
      heterologous expression system in cerebellar granule neurons.
      The signaling cascade induced by GqPCRs is initiated by
      activation of Gαq, which in turn stimulates phospholipase Cβ
      to hydrolyze the membrane phospholipid phosphatidylinositol(
      4,5)bisphosphate producing the second messengers
      1,2-diacylglycerol (DAG) and inostol( 1,4,5)trisphosphate.
      Using different approaches, I first established that
      phospholipase C is critical for GqPCR-mediated TASK channel
      inhibition. Next, I found that direct application of a DAG
      analog was sufficient to inhibit TASK channels. Accordingly,
      experimental attenuation of the DAG transients evoked by
      GqPCR stimulation diminished TASK channel inhibition,
      indicating that DAG is responsible for the current reduction
      following receptor activation. Because it had been previously
      established that a six amino acid motif within the proximal
      C-terminus is important for TASK channel regulation by
      GqPCRs, I compared the effects of GqPCR stimulation and DAG
      application on TASK channel proteins either truncated or
      mutated within this motif. A correlation of the sensitivities
      towards DAG and GqPCR activation further supported the
      hypothesis of DAG production as the underlying mechanism for
      the GqPCR-mediated effect. Lastly, to test whether native
      TASK-mediated currents were also inhibited by DAG, I probed
      application of this lipid on dissociated cerebellar granule
      neurons that express the TASK-mediated standing outward
      potassium current (IKSO). IKSO was inhibited by muscarinic
      receptor agonist as well as by direct application of DAG,
      producing a significant membrane depolarization. In
      conclusion, my findings demonstrate that DAG mediates the
      GqPCR-induced inhibition of TASK channels in an expression
      system as well as native, TASK-mediated currents. Thus, my
      data expand the view on the signaling effects of the small
      membrane lipid DAG and establish a link between DAG and cell
      excitability. Additionally, they may pave the way towards
      understanding the mechanism of DAG action on ion channels as
      atypical DAG effector proteins.
description: TASK Kaliumkanäle tragen in vielen
      Zelltypen zur Generierung des Membranpotentials bei, wodurch
      sie zahlreiche zelluläre Funktionen beeinflussen. Obwohl
      TASK-vermittelte Ströme häufig als „Hintergrundleitfähigkeit“
      bezeichnet werden, sind sie vielfach reguliert; unter anderem
      werden TASK Kanäle durch jene Hormone und Neurotransmitter
      gehemmt, welche Gαq/11-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GqPCR)
      aktivieren. Diese Kanalregulation spielt zum Beispiel für die
      Anpassung der Erregbarkeit von Nerven- und Herzmuskelzellen,
      wie auch für die Aldosteronsekretion in der Nebenniere eine
      Rolle. Trotz der physiologischen Bedeutung von TASK Kanälen
      und deren Inhibition konnte der zugrunde liegende Mechanismus
      für die GqPCRvermittelte Regulation noch nicht aufgeklärt
      werden. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, das
      verantwortliche Signalmolekül zu identifizieren und seinen
      Effekt auf zerebelläre Körnerzellen zu untersuchen. Die
      klassische GqPCRs Signalkaskade beginnt mit der Aktivierung
      von Gαq, welches die Phospholipase Cβ aktiviert. Diese
      spaltet daraufhin das Membranlipid Phosphatidylinositol(
      4,5)bisphosphat zu Diacylglycerol (DAG) und
      Inositol(1,4,5)trisphosphat. Mit verschiedenen
      experimentellen Ansätzen habe ich zuerst die Bedeutung der
      Phospholipase C für die GqPCR-vermittelte TASK Regulation
      herausgearbeitet. In weiterer Folge konnte ich zeigen, dass
      die direkte Applikation eines DAG-Analogons ausreicht, um den
      Kanal zu inhibieren. Die Abschwächung des durch Stimulation
      von GqPCRs erreichten DAG-Transienten durch Überexpression
      DAG-metabolisierender Enzyme reduzierte gleichermaßen die
      Inhibition der TASK Kanäle. Da bereits gezeigt wurde, dass
      ein sechs Aminosäuren langes Motiv im TASK C-Terminus
      essentiell für die GqPCR-vermittelte Inhibition ist, habe ich
      den Kanal in diesem Motiv mutiert und die Mutanten auf ihre
      DAG-Sensitivität untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine
      Korrelation zwischen der Inhibition durch Aktivierung eines
      GqPCRs und der Applikation des DAG-Analogons und untermauern
      die vorangegangenen Resultate, dass die DAG Produktion der
      GqPCR-vermittelten TASK Inhibition zugrunde liegt. Um die
      Ergebnisse aus den heterolog exprimierenden Zellen im nativen
      System zu validieren, untersuchte ich den TASK-vermittelten
      Strom IKSO in dissoziierten zerebellären Körnerzellen. Sowohl
      die Aktivierung muskarinischer Rezeptoren, als auch die
      Applikation des DAG-Analogons führten zu einer deutlichen
      Reduktion des IKSO, welche mit einer Depolarisation der
      Zellmembran einher ging. Zusammengefasst zeigen meine
      Ergebnisse, dass DAG der verantwortliche second messenger in
      der GqPCR Signalkaskade ist, welcher zur Schließung der TASK
      Kanäle führt. Das erweitert die Sicht auf die Signalwirkung
      des kleinen Membranlipids DAG und betont den Zusammenhang
      zwischen DAG und zellulärer Erregbarkeit.