Molekulare und evolutionäre Hintergründe der Kationenpermeation bei Mitgliedern der TRPM-Subfamilie

Hypomagnesiämie mit sekundärer Hypocalciämie (HSH) ist ein Krankheitsbild, das sich durch Muskelkrämpfe und neurologische Schädigungen aufgrund des Magnesiummangels äußert. Verschiedene Punktmutationen im Gen des TRPM6-Proteins werden als Ursache für die Ausprägung von HSH angesehen. Mit dem TRPM6 ist der erste TRP-Kationenkanal identifiziert worden, der im Darm und in der Niere des Menschen für die Magnesiumaufnahme verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue, in einem HSH-Patienten gefundene Mutation in der putativen Porenregion des TRPM6 (P1017R) analysiert. Im Gegensatz zu den bisher untersuchten Mutanten, die nicht als funktionsfähiges Protein die Plasmamembran erreichen, konnte das TRPM6P1017R-Protein bei Koexpression mit TRPM7 in der Zellmembran lokalisiert werden. Die Analyse der TRPM6P1017R-Variante in Anwesen¬heit des zur Bildung von funktionalen Kanalkomplexen notwendigen TRPM7-Proteins zeigte, dass die entstehenden heteromeren Komplexe nicht in der Lage waren, detektierbare Ströme zu leiten. Weiterhin zeigte diese TRPM6-Mutante sowohl eine dominant-negative Wirkung auf die Funktion von heterolog exprimiertem TRPM7 als auch auf die in HEK293-Zellen endogen vorkommenden Kationenströme. Da der entsprechende Aminosäureaustausch im TRPM7-Protein die gleichen Auswirkungen in noch stärkerem Maße verursachte, kann dem Prolin an Position P1017 eine hohe Bedeutung in der Kanalpore von TRPM6- und TRPM7-Kanälen zugeordnet werden, da es für die Aufrechterhaltung ihrer physiologischen Funktion unentbehrlich zu sein scheint. Weiterhin sollten durch zielgerichtete Mutagenesen in der Porenregion des divalent selektiven TRPM7- sowie des nichtselektiven TRPM2-Kanals Aufschlüsse über die molekularen Hintergründe der Permeationseigen¬schaften der TRPM-Subfamilie erlangt werden. Nach Substitution des Glutamats an Position 1047 durch ein Glutamin konnte die Divalentenpermeation des TRPM7-Kanals fast vollständig eliminiert werden. Gleichzeitig wurde durch diese Mutation die Inhibition der Kanalaktivität durch extrazelluläre, nicht aber die durch intrazel¬luläre Magnesium¬ionen beeinträchtigt. Zusammen mit einem weiteren Austausch eines Tyrosins zu Prolin (E1047Q/Y1049P) ergab sich eine Strom-Spannungs-Beziehung, die in hohem Maße der des TRPM2-Kanals ähnelt. Im Einklang mit diesen Beobachtungen zeigte die reziproke Doppelmutante im TRPM2-Protein im Vergleich zum Wildtyp eine stark erhöhte Permeation von divalenten Kationen. Somit konnten in dieser Arbeit zwei Positionen im Bereich der Pore der TRPM-Proteine identifiziert werden, die die Permeabilität dieser Kanalfamilie für divalente Kationen determinieren. Zusätzlich lassen phylogenetischen Analysen vermuten, dass diese beiden Aminosäuren und somit vermutlich auch die speziellen Permeationseigenschaften der Kanäle in einem evolutionären Prozess unterworfen waren. Dabei scheint der ursprüngliche TRPM-Kanal ein calciumpermeabler, TRPM2-ähnlicher Kanal mit einer NUDT9-ähnlichen Domäne und dem ’EVY’-Motiv gewesen zu sein. Das ’QIP’-Motiv taucht erst in später abgeleiteten Spezies auf. Der humane TRPM2 ist somit ein ’alter’ Kanal mit einer ’modernen’ Pore. Zusammenfassend gibt diese Arbeit wertvolle Aufschlüsse über die Struktur-Funktions-Beziehung der Permeationseigenschaften von Kationenkanälen, die in einem phylogenetischen Kontext auch theoretische Rückschlüsse zur evolutionären Entwicklung der Porendomänen in TRP-Proteinen zulassen