title: Molecular pharmacology of Kv1 channels - systematic analysis and characterisation of modulation by Psora-4 and arachidonic acid
title: Die molekulare Pharmakologie der Kv1-Ionenkanalfamilie - systematische Analyse und Charakterisierung der Modulation durch Psora-4 und Arachidonsäure
Creators: name: Marzian, Stefanie
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Psora-4 , Arachidonsäure
Kv1.5
Ionenkanal
Kaliumkanal , Elektrophysiologie
Psora-4 , arachidonic acid
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit

description: The classical drug binding site
      for small molecule inhibitors of voltage-gated ion channels
      is located in the highly conserved central cavity.
      Surprisingly the inhibitor Psora-4 discriminates between
      different voltage-gated potassium channel (Kv channel)
      subtypes and selectively blocks Kv1 channels. Ala-scanning
      mutagenesis, molecular modeling and inside-out
      macropatch-experiments show that Psora-4 binds to the highly
      conserved drug binding site in the central cavity and
      additionally to four less conserved hydrophobic binding
      pockets located on the “backsides” of the pore forming S5 and
      S6 and the pore helix of one subunit and the voltage sensor
      S4 and the S4-S5 linker of the neighboring subunit.
      Simultaneous occupation of both binding sites results in a
      stable non-conducting drug-channel complex. Thus, this study
      reveals a novel blocking mechanism which confers high
      affinity, cooperativity, use-dependence and selectivity to
      Psora-4 inhibition of Kv1 channels. The newly identified,
      less conserved binding site in the hydrophobic side pockets
      provides a molecular basis to develop specific Kv channel
      blockers. The rate of inactivation of Kv channels is a
      critical factor of the neuronal firing rate. Polyunsaturated
      fatty acids (PUFAs) modulate the kinetics of Kv channels and
      thus influence neuronal and cardiac signaling. This study
      reveals that PUFAs bind to the drug binding site in the
      central cavity and occlude the permeation pathway.
      Furthermore, systematic ala-scanning mutagenesis including
      132 residues in S3-S4 linker, S4, S4-S5 linker, S5, pore
      loops and S6 provides an advanced view of the interaction
      between PUFAs and Kv channels. This study reports that in
      addition to the pore block the pore loops, the hydrophobic
      side pockets, lateral fenestrations and the voltage sensor
      contribute to the modulation of PUFA blocking
      kinetics.
description: Die klassische
      Medikamenten-Bindungsstelle für kleine, hydrophobe
      Inhibitoren in spannungsgesteuerten Ionenkanälen befindet
      sich in der hochkonservierten zentralen Kavität.
      Überraschenderweise unterscheidet der Inhibitor Psora-4
      zwischen verschiedenen Subtypen der spannungsgesteuerten
      Kalium-Kanäle (Kv-Kanäle) und blockiert selektiv
      Kv1-Ionenkanäle. In der hier vorliegenden Arbeit wurde
      mittels zielgerichteter Mutagenese, Alanin-Scans, Dockings,
      molekulardynamischen Simulationen sowie „inside-out
      macropatch“-Experimenten gezeigt, dass Psora-4 in der
      hochkonservierten Bindungsstelle in der zentralen Kavität
      bindet. Zusätzlich bindet Psora-4 in vier weniger
      konservierten hydrophoben Seitentaschen, die sich auf der
      „Rückseite“ der porenformenden S5- und S6-Segmente einer
      Untereinheit und dem Spannungssensor S4 und dem S4-S5-Linker
      der benachbarten Untereinheit befinden. Das gleichzeitige
      Binden an beiden Bindungsstellen führt zur Bildung eines
      stabilen, nicht-leitenden Inhibitor-Ionenkanal-Komplexes.
      Diese Studie zeigt einen neuen Blockmechanismus, der die hohe
      Affinität, die Kooperativität, das benötigte Öffnen und
      Schließen des Ionenkanals (“use dependence“) und die
      Selektivität für Kv1-Ionenkanäle erklärt. Die neu
      identifizierte, weniger konservierte Bindungsstelle in den
      hydrophoben Seitentaschen stellt die molekulare Basis für die
      Entwicklung spezifischer Kv-Kanal-Blocker dar. Die
      Inaktivierungsrate der Kv-Kanäle ist ein entscheidender
      Faktor zur Frequenzmodulation in Neuronen. Mehrfach
      ungesättige Fettsäuren (Polyunsaturated fatty acids: PUFAs)
      modulieren die Kinetik von Kv-Kanälen und beeinflussen so die
      neuronale und kardiale Erregungsweiterleitung. Diese Studie
      zeigt, dass PUFAs an der Bindungsstelle in der zentralen
      Kavität binden und so die Passage von Ionen verhindern.
      Außerdem ergibt ein systematischer Alanin-Scan, der 132
      Aminosäuren im S3-S4-Linker, S4-Segment, S4-S5-Linker,
      S5-Segment, den Porenschleifen und dem S6-Segment umfasst,
      ein deutlich erweitertes Bild der Interaktion zwischen PUFAs
      und Kv-Kanälen. Diese Studie zeigt, dass zusätzlich zur
      Blockade der zentralen Pore auch die Porenschleifen, die
      hydrophoben Seitentaschen, die lateralen Fenster und der
      Spannungssensor an der Modulation der Kinetik der
      PUFA-Inhibition beteiligt sind.