The role of voltage-gated sodium channels in neurological diseases : lessons learned from pain disorders and Huntington’s disease

• Die Rolle spannungsgesteuerter Natriumkanäle bei neurologischen Erkrankungen: Lehren aus Schmerzerkrankungen und der Huntington-Krankheit

Le Cann, Kim; Rothermel, Markus (Thesis advisor); Lampert, Angelika (Thesis advisor); Spehr, Marc (Thesis advisor); Müller, Frank (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (Navs) sind große Transmembranproteine , die für die Initiierung und Weiterleitung von Aktionspotentialen (APs) in elektrisch erregbaren Zellen verantwortlich sind. Neun verschiedene Nav  Untereinheiten wurden beschrieben, die mit einer oder zwei modulierenden Nav  Untereinheiten assoziiert sein können. Mutationen von  und/oder  Untereinheiten können zu verschiedenen Erkrankungen wie Schmerzsyndromen, Epilepsie, kardialen und psychiatrischen Erkrankungen führen. In der vorliegenden Arbeit habe ich die Funktion der Navs in der Entstehung von Schmerzen und im Kontext der Huntington Krankheit (HD) untersucht.In einem heterologen Expressionssystem, hier HEK Zellen, wurden whole-cell voltage-clamp Messungen durchgeführt, um die Gating Eigenschaften der Nav1.7 Variante Nav1.7/N1245S, die möglicherweise für chronische Schmerzen verantwortlich ist, zu untersuchen. Im Kontext der HD habe ich aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) abgeleitete striatale Medium Spiny Neurons (MSNs) generiert und patch-clamp Experimente durchgeführt, um ihr elektrisches Verhalten sowohl unter physiologischen und auch unter Huntington Bedingungen zu untersuchen.Bei mehreren Patienten mit brennenden Schmerzen in den distalen Extremitäten wurde die Variante Nav1.7/N1245S identifiziert. Voltage-clamp Messungen zeigen, dass die Kanäle der N1245S-Variante bei den gleichen Spannungen im Vergleich zu Nav1.7/WT aktiviert und deaktiviert werden. Sie inaktivieren und deaktivieren auch mit derselben Kinetik. Wir fanden eine verstärkte langsame Inaktivierung für die N1245S Variante. Dieser Befund lässt sich nur schwer mit einem Funktionsgewinn in Zusammenhang bringen, wie er oft in Schmerzen-assoziierten Mutationen beschrieben wird. Homologiemodellierung basierend auf der hNav1.7-Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur zeigte, dass das N an der Stelle von S1245 einen anderen Aminosäure-Interaktionspartner aufweist, allerdings ohne eine offensichtliche Änderung der Gesamtproteinkonformation hervorzurufen. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die Nav1.7/N1245S Variante Teil eines komplexeren pathophysiologischen Geschehens sein könnte, die dem pathologischen phänotyp der Patienten zugrunde liegt, welche möglicherweise nicht mit einem heterologen Expressionssystem reproduziert werden kann.Die Nav Funktion wurde auch in dem physiologischeren Kontext in der Studie der HD untersucht, eine genetische Störung, die durch eine Degeneration der striatalen MSNs gekennzeichnet ist, deren Ursprung noch unbekannt ist. Post-mortem Studien am Menschen zeigten eine spezifische Herunterregulierung der Nav4 Untereinheit in MSNs von HD Patienten. Ein Ziel der Studie war es, die möglichen Konsequenzen dieser Herunterregulierung auf die Nav Funktion und die MSN Erregbarkeit zu untersuchen. Wir haben zwei Differenzierungsprotokolle ausgewählt und etabliert, um menschliche MSNs aus iPS Zellen zu generieren. Die MSN Ausbeute war allerdings mit beiden Protokollen gering, was auf eine geringe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit hindeutet. Übereinstimmend zeigten die voltage-clamp Messungen eher Inkonsistenzen zwischen Differenzierungsprotokollen, als Effekte, die auf die HD Mutation zurückzuführen wären. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, die Effizienz von existierenden Differenzierungsprotokollen zu verbessern. Unsere Daten legen nahe, dass Studien, die nur ein Differenzierungsprotokoll verwenden, ein Risiko einer Fehlinterpretation bergen. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse die Komplexität der Nav Funktion und deren Untersuchung in heterologen Systemen. Ein menschliches zelluläres System wie die hiPS Zellen, bietet vielversprechende Möglichkeiten, die aber noch methodische Verbesserungen erforderen, um neuronale Störungen in einem physiologischeren menschlichen Kontext untersuchen zu können.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Chemosensorik [163310]
• [512000-3]