Chloridkanäle | Anne Marie

Überblick: Chloridkanäle sind eine funktionell und strukturell vielfältige Gruppe anionenselektiver Kanäle, die an Prozessen beteiligt sind, einschließlich der Regulation der Erregbarkeit von Neuronen, Skelett-, Herz- und glatten Muskeln, Zellvolumenregulation, transepithelialem Salztransport, der Versauerung innerer und extrazellulärer Kompartimente, des Zellzyklus und der Apoptose (überprüft von Nilius und Droogmans, 2003). Mit Ausnahme der transmittergesteuerten GABA- und Glycinrezeptoren (siehe separate Tabellen) können gut charakterisierte Chloridkanäle als bestimmte Mitglieder der spannungsempfindlichen ClC-Unterfamilie, kalziumaktivierte Kanäle, Hoch- (Maxi-) Leitfähigkeitskanäle, der zystische Fibrose-Transmembran-Leitfähigkeitsregler (CFTR) und volumenregulierte Kanäle klassifiziert werden (Verkman und Galietta, 2009). Es gibt keine offizielle Empfehlung zur Klassifizierung von Chloridkanälen. Funktionelle Chloridkanäle, die aus Säugetiergeweben kloniert oder darin charakterisiert wurden, werden aufgelistet.

ClC-Familie: Die Säugetier-ClC-Familie (überprüft von Nilius und Droogmans, 2003; Chen, 2005; Dutzler, 2007; Jentsch, 2008) enthält neun Mitglieder, die in drei Gruppen fallen; ClC-1, ClC-2, hClC-Ka (rClC-K1) und hClC-Kb (rClC-K2); ClC-3 bis ClC-5 und ClC- 6 und -7. ClC-1 und ClC-2 sind Plasmamembran-Chloridkanäle, ebenso wie ClC-Ka und ClC-Kb (weitgehend in der Niere exprimiert), wenn sie mit Barttin (ENSG00000162399), einem 320-Aminosäure-2TM-Protein (Estévez et al., 2001). Die Lokalisation von CIC-3, ClC-4 und ClC-5 ist wahrscheinlich überwiegend intrazellulär, und jüngste Berichte zeigen, dass ClC-4, ClC-5 und ClC-7 (und durch Inferenz ClC-3 und ClC-6) eher als Cl- / H + -Antitransporter als als klassische Cl-Kanäle fungieren (Picollo und Pusch, 2005; Scheel et al., 2005; Graves et al., 2008; rezensiert von Miller, 2006; Pusch et al., 2006). Für ClC-6 und ClC-7 wurde eine intrazelluläre Lokalisation nachgewiesen (reviewed by Jentsch, 2008). Alternatives Spleißen erhöht die strukturelle Vielfalt innerhalb der ClC-Familie. Die Kristallstruktur zweier bakterieller ClC-Kanäle wurde beschrieben (Dutzler et al., 2002). Jede ClC-Untereinheit mit einer komplexen Topologie von 18 Intramembransegmenten trägt eine einzelne Pore zu einem dimeren ‚doppelläufigen‘ ClC-Kanal bei, der zwei unabhängig voneinander geschlossene Poren enthält, was die Vorhersagen früherer funktioneller und struktureller Untersuchungen bestätigt (überprüft von Chen, 2005; Pusch et al., 2006; Dutzler, 2007; Jentsch, 2008). Wie bei ClC-4, ClC-5 und ClC-7 funktioniert das prokaryotische ClC-Homolog (ClC-ec1) eher als H + / Cl-Antiporter als als Ionenkanal (Accardi und Miller, 2004).

ClC-Kanäle zeigen die Permeabilitätssequenz Cl- > Br- > I- (bei physiologischem pH-Wert); für ClC-3 wurde auch I- > Cl- beansprucht. ClC-1 hat eine signifikante Öffnungswahrscheinlichkeit bei ruhendem Membranpotential, die 75% der Membranleitfähigkeit in Ruhe im Skelettmuskel ausmacht, und ist wichtig für die Stabilisierung des Membranpotentials. S-(-)CPP, A-9-C und Nifluminsäure wirken intrazellulär und zeigen einen stark spannungsabhängigen Block mit starker Hemmung bei negativen Spannungen und Blockentlastung bei depolarisierten Potentialen (Liantonio et al., 2007 und reviewed von Pusch et al., 2002). Die Hemmung von ClC-2 durch das Peptid GaTx2 aus dem Gift Leiurus quinquestriatus herbareus tritt wahrscheinlich eher durch Hemmung des Kanal-Gating als durch direkte Blockade des offenen Kanals auf (Thompson et al., 2009). Obwohl ClC-2 durch Zellquellung aktiviert werden kann, entspricht es nicht dem volumenregulierten Anionenkanal (VRAC) (siehe unten). Alternative potenzielle physiologische Funktionen für ClC-2 werden von Planells-Cases und Jentsch (2009) überprüft. Die funktionelle Expression von humanem ClC-Ka und ClC-Kb erfordert die Anwesenheit von Barttin (Estévez et al., 2001; Scholl et al., 2006). Das Nagetierhomolog (ClC-K1) von ClC-Ka zeigt eine begrenzte Expression als Homomer, aber seine Funktion wird durch Barttin verstärkt, das sowohl die Kanalöffnungswahrscheinlichkeit im physiologischen Potentialbereich als auch die Einkanalleitfähigkeit erhöht (Estévez et al., 2001; Scholl et al., 2006). ClC-Ka ist ungefähr fünf- bis sechsfach empfindlicher gegenüber Blockierungen durch 3-Phenyl-CPP und DIDS als ClC-Kb, während neu synthetisierte Benzofuranderivate die gleiche Blockierungsaffinität (< 10 µM) auf beiden CLC-K-Isoformen zeigten (Liantonio et al., 2008). Die biophysikalischen und pharmakologischen Eigenschaften von ClC-3 und die Beziehung des Proteins zum endogenen VRAC (siehe Guan et al., 2006; Alekov und Fahlke, 2008) sind umstritten und weiter kompliziert durch die Möglichkeit, dass ClC-3 sowohl als Cl- / H + -Austauscher als auch als Ionenkanal fungieren kann (Picollo und Pusch, 2005; Wang et al., 2006; Alekov und Fahlke, 2008). Die tabellarisch aufgeführten funktionellen Eigenschaften stimmen am besten mit der engen strukturellen Beziehung zwischen ClC-3, ClC-4 und ClC-5 überein. Die Aktivierung von heterolog exprimiertem ClC-3 durch Zellquellung als Reaktion auf hypotonische Lösungen ist umstritten, ebenso wie viele andere Aspekte seiner Regulation. CIC-4 kann in zwei Transportmodi betrieben werden: einem Schlupfmodus, in dem es sich wie ein Ionenkanal verhält, und einem Austauschermodus, in dem die einheitliche Transportrate 10-fach niedriger ist (Alekov und Fahlke, 2009). ClC-7 assoziiert mit einer β-Untereinheit, Ostm1, die die Stabilität des ersteren erhöht (Lange et al., 2006).

CFTR: CFTR, ein 12TM-Protein vom ABC-Typ, ist ein cAMP-regulierter Cl-Kanal der Epithelzellmembran, der am normalen Flüssigkeitstransport über verschiedene Epithelien beteiligt ist. Die häufigste Mutation in der CFTR (d. h. die Deletionsmutante ΔF508) führt zu einer Beeinträchtigung des Transports von CFTR und verringert dessen Einbau in die Plasmamembran, was zu Mukoviszidose führt. Kanäle, die die ΔF508-Mutation tragen, die zur Plasmamembran transportieren, weisen Gating-Defekte auf. Zusätzlich zur Wirkung als Anionenkanal an sich kann CFTR als Regulator mehrerer anderer Leitfähigkeiten wirken, einschließlich der Hemmung des epithelialen Na-Kanals (ENaC), der Calcium-aktivierten Chloridkanäle (CaCC) und VRAC, der Aktivierung des nach außen korrigierenden Chloridkanals (ORCC) und der Verbesserung der Sulfonylharnstoffempfindlichkeit des renalen äußeren Markkaliumkanals (ROMK2) (überprüft von Nilius und Droogmans, 2003). CFTR reguliert auch TRPV4, das das Ca2 + -Signal für die regulatorische Volumenabnahme (RVD) in Atemwegsepithelien liefert (Arniges et al., 2004). Die Aktivitäten von CFTR und den Chlorid-Bicarbonat-Austauschern SLC26A3 (DRA) und SLC26A6 (PAT1) werden gegenseitig durch eine physikalische Assoziation zwischen der regulatorischen (R) Domäne von CFTR und der STAS-Domäne der SCL26-Transporter verstärkt, ein Effekt, der durch PKA-vermittelte Phosphorylierung der R-Domäne von CFTR erleichtert wird (Ko et al., 2004).

Korrektorverbindungen, die die Faltung von ΔF508CFTR unterstützen, um die Menge an exprimiertem Protein zu erhöhen und möglicherweise an die Zelloberfläche abgegeben zu werden, umfassen VX-532 (das auch ein Potentiator ist), Corr-3a und Corr-4a . Die Hemmung der CFTR durch intrazelluläre Applikation des Peptids GaTx1, aus Leiurus quinquestriatus herbareus Gift, erfolgt bevorzugt für den geschlossenen Zustand des Kanals (Fuller et al., 2007). CFTR enthält zwei cytoplasmatische Nukleotidbindungsdomänen (NBDs), die ATP binden. Es wird angenommen, dass ein einzelner Öffnungs-Schließzyklus nacheinander beinhaltet: bindung von ATP am N-terminalen NBD1, ATP-Bindung an das C-terminale NBD2, die zur Bildung eines intramolekularen NBD1-NBD2-Dimers führt, das mit dem offenen Zustand assoziiert ist, und anschließende ATP-Hydrolyse am NBD2, die die Dissoziation des Dimers und das Schließen des Kanals erleichtert, und die Einleitung eines neuen Gating-Zyklus (Aleksandrov et al., 2007; Muallem und Vergani, 2009). Die Phosphorylierung durch PKA an Stellen innerhalb einer cytoplasmatischen regulatorischen (R) Domäne erleichtert die Interaktion der beiden NBD-Domänen. PKC (und PKGII in Darmepithelzellen über Guanylin-stimulierte cGMP-Bildung) regulieren die CFTR-Aktivität positiv.

Calcium-aktivierter Chloridkanal: Chloridkanäle, die durch intrazelluläres Calcium (CaCC) aktiviert werden, sind in erregbaren und nicht erregbaren Zellen weit verbreitet, wo sie verschiedene Funktionen erfüllen (Hartzell et al., 2005). Die molekulare Natur von CaCC ist unklar, da sowohl CLCA-Gene als auch BEST-Gene als wahrscheinliche Kandidaten in Betracht gezogen wurden (Loewen und Forsythe, 2005; Hartzell et al., 2008). Es wird nun akzeptiert, dass CLCA-Expressionsprodukte wahrscheinlich keine Kanäle an sich bilden und wahrscheinlich als Zelladhäsionsproteine fungieren oder sezerniert werden (Patel et al., 2009). Die von den Genen hbest1-4 kodierten Bestrophine haben eine Topologie, die konsistenter mit Ionenkanälen ist (siehe Hartzell et al., 2008) und bilden Chloridkanäle, die durch physiologische Konzentrationen von Ca2 + aktiviert werden, aber ob eine solche Aktivierung direkt ist, ist nicht bekannt (Hartzell et al., 2008). Durch Best-Überexpression erzeugte Ströme ähneln jedoch nicht nativen CaCC-Strömen. Kürzlich wurde eine neue Genfamilie, TMEM16 (Anoctamin-1), identifiziert, die Ca2 + -aktivierte Cl-Ströme mit einer Kinetik erzeugt, die den nativen CaCC-Strömen ähnelt, die aus verschiedenen Zelltypen aufgezeichnet wurden (Caputo et al., 2008; Schröder et al., 2008; Yang et al., 2008; Pifferi et al., 2009; Rock et al., 2009). Knockout von TMEM16 hebt CaCC in mehreren Epithelgeweben auf (Yang et al., 2008)

Die Blockade von ICl (Ca) durch Niflumsäure, DIDS und 9-AC ist spannungsabhängig, während die Blockade durch NPPB spannungsunabhängig ist (Hartzell et al., 2005). Extrazelluläre Niflumsäure, DCDPC und A-9-C (aber nicht DIDS) üben eine komplexe Wirkung auf ICl (Ca) in der glatten Gefäßmuskulatur aus und verstärken und hemmen nach innen und außen gerichtete Ströme in einer von i abhängigen Weise (siehe Leblanc et al., 2005 zur Zusammenfassung). Beträchtliche Frequenzweiche in der Pharmakologie mit Ca2 + -aktivierten K + -Kanälen mit großer Leitfähigkeit existiert ebenfalls (siehe Greenwood und Leblanc, 2007 für Übersicht). Zwei neue Verbindungen, CaCCinh-A01 und CaCCinh-B01, wurden kürzlich als Blocker von CaCC in menschlichen T84-Darmepithelzellen identifiziert (siehe De La Fuente et al., 2008 für Strukturen). CaMKII moduliert CaCC gewebeabhängig (überprüft von Hartzell et al., 2005; Leblanc et al., 2005). CaMKII-Inhibitoren blockieren die Aktivierung von ICl (Ca) in T84-Zellen, haben jedoch keine Wirkung auf Parotidazinuszellen. In trachealen und arteriellen glatten Muskelzellen, jedoch nicht in Pfortadermyozyten, verringert die Hemmung von CaMKII die Inaktivierung von ICl (Ca). Intrazelluläres Ins (3,4,5,6) P4 kann als endogener negativer Regulator von CaCC-Kanälen wirken, die durch Ca2 + oder CaMKII aktiviert werden. Glatte Muskel-CaCC werden auch positiv durch Ca2 + -abhängige Phosphatase, Calcineurin, reguliert (siehe Leblanc et al., 2005 zur Zusammenfassung).

Maxi-Chloridkanal: Maxi-Cl-Kanäle sind hochleitfähige, anionenselektive Kanäle, die zunächst im Skelettmuskel charakterisiert und anschließend in vielen Zelltypen wie Neuronen, Glia, Herzmuskel, Lymphozyten, sekretierenden und absorbierenden Epithelien, Makula-Densa-Zellen der Niere und menschlichen Plazenta-Syncytiotrophoblasten gefunden werden (Sabirov und Okada, 2009). Die physiologische Bedeutung des Maxi-Cl-Kanals ist ungewiss, aber es wurden Rollen bei der Zellvolumenregulation und Apoptose beansprucht. Hinweise deuten auf eine Rolle der Cl-Kanäle als leitfähiger Weg bei der quellungsinduzierten Freisetzung von ATP aus C127i-Zellen der Maus hin, die für die autokrine und parakrine Signalisierung durch Purine wichtig sein kann (Sabirov et al., 2001; Dutta et al., 2002). Ein ähnlicher Kanal vermittelt die ATP-Freisetzung aus Makula-Densa-Zellen innerhalb der Dicke der Henle-Schleife als Reaktion auf Änderungen der luminalen NaCl-Konzentration (Bell et al., 2003). Eine Familie menschlicher hochleitfähiger Cl-Kanäle (TTYH1-3), die Maxi-Cl-Kanälen ähneln, wurde kloniert (Suzuki und Mizuno, 2004), aber alternativ wurden auch Maxi-Cl-Kanäle vorgeschlagen, die dem spannungsabhängigen Anionenkanal VDAC entsprechen, der an der Plasmamembran exprimiert wird (Bahamonde et al., 2003; Okada et al., 2004).

Unterschiedliche Ionenbedingungen können zu variablen Schätzungen von γ beitragen, die in der Literatur berichtet werden. Die Hemmung durch Arachinonsäure (und cis-ungesättigte Fettsäuren) ist spannungsunabhängig, erfolgt intrazellulär und beinhaltet sowohl eine Kanalabschaltung (Kd= 4-5 µM) als auch eine Reduktion von γ (Kd= 13-14 µM). Die Blockade der Kanalaktivität durch SITS, DIDS, Gd3 + und Arachidonsäure geht mit einer verminderten quellungsinduzierten Freisetzung von ATP einher (Sabirov et al., 2001); (Dutta et al., 2002). Die Kanalaktivierung durch Antiöstrogene in Ganzzellproteinen erfordert die Anwesenheit intrazellulärer Nukleotide und wird durch Vorbehandlung mit 17β-Östradiol, Dibutryl cAMP oder intrazelluläre Dialyse mit GDPßS verhindert (Diaz et al., 2001). Die Aktivierung durch Tamoxifen wird durch niedrige Konzentrationen von Okadainsäure unterdrückt, was darauf hindeutet, dass ein Dephosphorylierungsereignis durch Proteinphosphatase PP2A im Aktivierungsweg auftritt (Diaz et al., 2001). Im Gegensatz dazu scheinen 17β-Estradiol und Tamoxifen den Maxi-Cl-Kanal der menschlichen Plazenta, die in riesigen Liposomen rekonstituiert und in exzidierten Pflastern aufgezeichnet wurde, direkt zu hemmen (Riquelme, 2009).

Volumenregulierte Chloridkanäle: Volumenaktivierte Chloridkanäle (auch als VSOAC, volume-sensitive organic osmolyte/anion channel; VRC, volume-regulated channel und VSOR, volume expansion-sensing and rectifying anion channel) nehmen an RVD als Reaktion auf Zellquellung teil. VRAC kann auch für mehrere andere Prozesse wichtig sein, einschließlich der Regulation der Membranerregbarkeit, des transzellulären Cl-Transports, der Angiogenese, der Zellproliferation, der Nekrose, der Apoptose und der Glutamatfreisetzung aus Astrozyten (überprüft von Nilius und Droogmans, 2003; Mulligan und MacVicar, 2006; Okada et al., 2009). VRAC kann nicht eine einzelne Entität sein, sondern kann stattdessen eine Anzahl verschiedener Kanäle darstellen, die in unterschiedlichem Ausmaß in verschiedenen Geweben exprimiert werden und durch Zellschwellung differentiell aktiviert werden. Neben ClC-3-Expressionsprodukten (siehe oben) werden auch mehrere frühere VRAC-Kandidaten, einschließlich MDR1-P-Glykoprotein, Icln, Band-3-Anionenaustauscher und Phospholemman, nicht mehr als wahrscheinlich angesehen, diese Funktion zu erfüllen (siehe Übersichten von d’Anglemont de Tassigny et al., 2003; Nilius und Droogmans, 2003; Sardini et al., 2003).

Zusätzlich zur Leitung einwertiger Anionen kann in vielen Zelltypen die Aktivierung von VRAC durch einen hypotonischen Stimulus den Ausfluss organischer Osmolyte wie Aminosäuren und Polyole ermöglichen, die zu RVD beitragen können.

Andere Chloridkanäle: Zusätzlich zu einigen intrazellulären Chloridkanälen, die hier nicht berücksichtigt werden, wurden andere als die aufgeführten Plasmamembrankanäle funktionell beschrieben. Viele Zellen und Gewebe enthalten ORCC, das VRAC entsprechen kann, das unter isotonischen Bedingungen aktiv ist. Ein cAMP-aktivierter Cl-Kanal, der nicht der CFTR entspricht, wurde in intestinalen Paneth-Zellen beschrieben (Tsumura et al., 1998). Ein durch cGMP aktivierter Cl-Kanal mit einer Abhängigkeit von erhöhtem intrazellulärem Ca2 + wurde in verschiedenen vaskulären glatten Muskelzelltypen aufgezeichnet, der eine Pharmakologie aufweist, die sich stark von der ‚konventionellen‘ CaCC unterscheidet (siehe Matchkov et al., 2004; Klein und Groß, 2004). Ein protonenaktivierter, nach außen gleichrichtender Anionenkanal wurde ebenfalls beschrieben (Lambert und Oberwinkler, 2005).