title: Molekulare Eigenschaften und pathophysiologische Relevanz der charakteristischen K+ Leitfähigkeit in cochleären äußeren Haarzellen
title: Molecular Properties and Pathophysiological Relevance of the Predominant K+ Conductance in Cochlear Outer Hair Cells
title: Molecular Properties and Pathophysiological Relevance of the Predominant K+ Conductance in Cochlear Outer Hair Cells
Creators: name: Leitner, Michael
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Kaliumkanal
KCNQ4
PTEN
TASK
PI(4,5)P2
phospholipid
Kv7.4
retigabine
Medizin, Gesundheit
hereditary hearing loss
DFNA2
Corti Organ
ci-VSP
Hörverlust
Phoshatidylinositol-(4,5)-bisphosphat
Erbkrankheit
Retigabin
spannungsabhängige Phosphatase
Aminoglykosid Ototoxizität
aminoglycoside ototoxicity
PTEN Phosphohydrolase
organ of Corti

description: Cochlear outer hair cells (OHCs)
      are characterised by the voltage-dependent K+ conductance
      IK,n that previously was shown to be mediated by KCNQ4 (Kv7)
      channel subunits. IK,n/KCNQ4 dominates the electrical
      properties of the OHC cell membrane and furthermore is
      essential for OHC survival. Genetic deletion of KCNQ4 causes
      progressive degeneration of OHCs and deafness. Similarly,
      KCNQ4 loss-of-function mutations cause the progressive form
      of hereditary deafness DFNA2. The molecular mechanism leading
      to OHC degeneration remains elusive, but the survival of OHCs
      has been linked directly to KCNQ4 channel function.
      Strikingly, the loss of OHCs is phenotypically similar to OHC
      degeneration caused by ototoxic substances and noise damage
      (acquired hearing loss), but a role of IK,n/KCNQ4 in acquired
      hearing loss has never been investigated so far. In the
      present study I investigated the pathophysiological relevance
      of IK,n for OHC degeneration caused by aminoglycoside (AG)
      antibiotics. Since KCNQ4 channel function is essential for
      OHC survival, chemical current augmentation may provide a
      protective strategy against KCNQ4-related hearing loss. Thus,
      I analysed whether chemical KCNQ channel openers rescued IK,n
      currents from pathological inhibition. In brief, I found that
      AGs rapidly entered OHCs and that entry was necessary for
      IK,n current inhibition. The inhibition was caused by
      functional depletion of phospholipids by the AGs that are
      essential for the function of IK,n/KCNQ4. Various AGs exhibit
      different ototoxic potential, i.e. neomycin causes OHC
      degeneration whereas gentamicin damages vestibular hair
      cells. Strikingly, the degree of IK,n inhibition (neomycin
      &amp;amp;gt; gentamicin) correlated with the phospholipid
      binding efficiency and with the ototoxic potential of the
      respective AG. Given the dependence of OHCs on IK,n, the
      ototoxic potential of AGs thus may be determined by their
      chemical nature and by their inhibitory impact on IK,n.
      Furthermore, I showed that IK,n was sensitive to current
      augmentation by chemical KCNQ channel openers. A combination
      of openers rescued IK,n from AG-induced inhibition to
      wild-type levels indicating full restoration of IK,n
      activity. Most DFNA2 patients are heterozygous carriers of
      KCNQ4 mutations that reduce IK,n through a dominant-negative
      effect. This reduction of IK,n activity causes OHC
      degeneration. Residual currents in the dominant-negative
      situation were essentially rescued to wild-type levels by the
      application of KCNQ channel openers, at least in a
      heterologous expression system. The current rescue indicated
      that KCNQ channel openers might be used to stabilise IK,n in
      heterozygous DFNA2 patients. In summary, the present work
      demonstrated for the first time a role of the essential OHC
      K+ conductance IK,n in acquired hearing loss. The dependence
      of OHCs on IK,n may explain the high vulnerability of OHCs
      towards ototoxic influences. IK,n current augmentation by
      chemical KCNQ openers may be used to stabilise IK,n in OHCs
      and protect the sensory cells from KCNQ4-related
      degeneration. KCNQ openers rescued IK,n from AG-induced
      inhibition in OHCs and recombinant KCNQ4 from
      dominant-negative inhibition by mutant subunits. However, it
      remains elusive whether chemical KCNQ agonists alleviate OHC
      degeneration and protect from hearing loss.
description: Äußere Haarsinneszellen (ÄHZ) des
      Corti´schen Organs im Innenohr werden biophysikalisch
      charakterisiert durch den K+ Strom IK,n, dessen molekulare
      Grundlage der spannungsabhängige K+ Kanal KCNQ4 (Kv7.4) ist.
      IK,n/KCNQ4 dominiert die elektrischen Eigenschaften der ÄHZ
      Zellmembran und ist darüber hinaus essentiell für das
      Überleben der Zellen. Im knock-out Tiermodell führte der
      Verlust der KCNQ4 Kanalaktivität zum Untergang der ÄHZ und zu
      Taubheit. Dies ist klinisch bedeutend, da im Menschen KCNQ4
      Mutationen die Ursache für die erbliche Taubheit DFNA2 sind.
      Der Mechanismus, der zum Haarzelluntergang führt, ist noch
      unklar, doch korreliert das Überleben von ÄHZ direkt mit der
      Funktion von KCNQ4. Obwohl der durch Giftstoffe oder Lärm
      bewirkte Haarzelluntergang (erworbener Hörverlust) dem
      KCNQ4-bedingten ÄHZ Verlust ähnelt, wurde eine Verbindung
      zwischen IK,n/KCNQ4 und erworbenem Hörverlust bisher noch
      nicht experimentell erfasst. In der vorliegenden Arbeit habe
      ich mich mit der pathophysiologischen Rolle von IK,n/KCNQ4 in
      klinisch relevantem Haarzelluntergang beschäftigt, der durch
      Aminoglykosid (AG) Antibiotika hervorgerufen wird. Des
      Weiteren wurde untersucht, ob chemische KCNQ Kanalöffner die
      Funktion von IK,n trotz pathophysiologisch relevanter
      Inhibition wiederherstellen können, um eventuell Protektion
      der ÄHZ zu ermöglichen. Ich konnte erstmalig zeigen, dass AG
      Antibiotika schnell in Haarzellen eindringen und IK,n
      inhibieren. Die Inhibition war darauf zurückzuführen, dass AG
      über elektrostatische Wechselwirkungen negativ geladene
      Phospholipide funktionell depletieren, die für die Funktion
      von IK,n essentiell sind. Verschiedene AG zeigen
      unterschiedliches ototoxisches Potential: Neomycin führt zum
      Untergang von ÄHZ, während Gentamycin vestibuläre Haarzellen
      schädigt. Das Ausmaß der IK,n Kanalinhibition korrelierte
      (Neomycin &amp;amp;gt; Gentamycin) mit dem Grad der
      Phospholipid Bindung und mit dem ototoxischen Potential der
      AG. Dies legt nahe, dass die hohe Anfälligkeit der ÄHZ
      gegenüber Neomycin auf die Inhibition von IK,n zurückzuführen
      ist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Aktivität
      von IK,n durch chemische KCNQ Kanalöffner verstärkt wird. Die
      AG-induzierte Hemmung von IK,n konnte aufgehoben und die
      Kanalaktivität vollkommen wiederhergestellt werden. In
      heterozygoten DFNA2 Patienten werden IK,n Ströme durch einen
      dominant-negativen Effekt mutierter KCNQ4 Kanaluntereinheiten
      verringert, was den ÄHZ Untergang bewirkt. Es ist mir im
      heterologen System gelungen, mittels chemischer KCNQ
      Kanalöffner KCNQ4 von dieser dominant-negativen Inhibition zu
      befreien. Die Ströme in Gegenwart der Kanalöffner waren
      vergleichbar mit Strömen unter Kontrollbedingungen, was
      gleichbedeutend mit der vollständigen Wiederherstellung der
      Kanalfunktion war. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass
      ich in dieser Arbeit erstmals eine Rolle der
      Kaliumleitfähigkeit IK,n in erworbenem Hörverlust
      demonstrieren konnte. Dies kann die verstärkte Anfälligkeit
      von ÄHZ gegenüber ototoxischen Einflüssen erklären. Darüber
      hinaus stabilisieren chemische Kanalöffner IK,n in
      Anwesenheit von AG und stellen die Funktion von rekombinanten
      KCNQ4 Kanälen trotz dominant-negativer Inhibition wieder her.
      Dies könnte Haarzellen vor KCNQ4-bedingtem Untergang
      schützen. Es bleibt allerdings offen, ob die Substanzen den
      Verlust der ÄHZ verzögern und Taubheit abwenden
      können.