Les canaux de potassium voltage-dépendant (Kv) sont des tétramères séparés en 12 familles. Chaque sous-unité est composée de six segments transmembranaires (S1-S6). Les quatre premiers (S1-S4) forment le senseur de voltage dont le rôle est de détecter des variations en potentiel membranaire grâce à des acides aminés chargés. Ces acides aminés vont bouger et ce mouvement va être transmis au second domaine, celui du pore (S5-S6). Les domaines du pore des quatre sous-unités vont se combiner pour créer le pore. Ces sous-unités peuvent former des canaux homomériques où chaque sous-unité est identique ou des canaux hétéromériques avec des membres de la même famille. Kv6.4 (KCNG4) est un membre de la famille de sous-unité silencieuse Kv6. Les familles de sous-unités silencieuses incluent également Kv5, Kv8 et Kv9. Ils ne peuvent pas former d’homomères. À la place, il doit former des hétéromères avec Kv2. Les canaux Kv2.1/Kv6.4 ont des propriétés différentes, lorsque comparées aux homomères de Kv2.1, particulièrement avec un décalage de l’inactivation vers les négatifs. Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’absence d’une charge positive à la position Kv6.4-Y345 est responsable pour une partie du décalage tout en étant capable de réduire ce décalage avec la mutation Kv6.4-Y345R. Nous avons également pu produire l’effet inverse dans Kv2.1 avec Kv2.1-R306Y. Également, nous avons déterminé que la mutation Kv6.4-L360P trouvée chez des patients souffrant de migraines mène à cette pathologie à cause d’un problème de trafic où les sous-unités mutées ne peuvent pas atteindre la surface et produire des canaux fonctionnels. Ce problème est causé par un bris dans l’hélice alpha du segment S4-S5. Uniquement des homomères de Kv2.1 se rendent à la surface ce qui réduit l’excitabilité membranaire. Nous proposons que lorsqu’exprimée dans le ganglion trigéminal, cette mutation mène à des migraines. / Voltage-gated potassium channels (Kv) are tetramers split into 12 families. Each subunit is composed of six transmembrane helices (S1-S6). The first four of those (S1-S4) form the voltage sensor domain whose role it is to detect variations in the membrane potential through charged amino acids. The movement of those amino acids will be transmitted to the second domain, the pore domain (S5-S6). The pore domain of all four subunits will combine to form the ion conducting pore. These subunits can form homomers where all four subunits are identical or heteromers with members of the same family. Kv6.4 (KCNG4) is a member of the silent subunit family Kv6, which also includes Kv5, Kv8 and Kv9. They cannot form functioning homomers. Instead, they form heteromers with Kv2. Kv2.1/Kv6.4 channels have different properties when compared to Kv2.1 homomers, particularly a negative shift of the voltage dependence of inactivation. With the cut-open voltage clamp fluorometry (COVC) technique, we were able to determine that the absence of a gating charge at position Kv6.4-Y345 is responsible for part of this shift. We were able to recover part of this shift with the mutation Kv6.4-Y345R. We were also able to produce the inverse effect in Kv2.1 with the mutation Kv2.1-R306Y. Also, we determined that the mutation Kv6.4-L360P. which is found in patients suffering from migraines, leads to this condition because of a trafficking defect caused by the mutation stopping the subunits from reaching the membrane and making functional channels. The defect is caused by a kink in the alpha helix of the S4-S5 linker. Only Kv2.1 homomers reach the membrane which reduces membrane excitability. We propose that when expressed in the trigeminal ganglion, this mutation leads to migraines because of this trafficking defect.

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Allostery is a regulatory process whereby a perturbation by an effector at one discrete locus creates a conformational change that stimulates a functional change at another. The two sites communicate through networks of interacting residues that respond in a concerted manner to the allosteric perturbation. These allosteric networks are traditionally mapped with high resolution structure determination techniques to understand the conformational changes that regulate protein function as well as its modulation by allosteric ligands and its dysfunction caused by disease-related mutations (DRMs). However, high resolution structural determination techniques, such as X-ray crystallography, cryo-electron microscopy and nuclear Overhauser effect NMR spectroscopy are not always amenable for systems plagued by poor solubility and line broadening caused by μs-ms dynamics or systems where allostery relies primarily on dynamical rather than structural changes. This dissertation discusses methodologies to map the allosteric sites and pathways for such challenging systems. The foundation of this approach is to model allosteric pathways in the context of their respective thermodynamic cycles. In chapter 2, the thermodynamic cycle of a DRM in the hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated ion channel 4 (HCN4) is analyzed with respect to structure, dynamics and kinetics, revealing how the DRM remodels the free energy landscape of HCN4 and results in a loss-of-function disease phenotype. In chapter 3, the mechanism of action of an uncompetitive inhibitor for the exchange protein activated by cAMP is elucidated by characterizing its selectivity for distinct conformations within the thermodynamic cycle that are trapped using a combination of mutations and ligand analogs. In chapter 4, we discuss two new protocols for the chemical shift covariance analysis (CHESCA). The CHESCA is an approach that identifies allosteric signaling pathways by measuring concerted residue responses to a library of chemical perturbations that stabilize conformational equilibria at different positions. Overall, the approaches discussed in this dissertation are widely applicable for mapping the mechanisms of allosteric perturbations that arise from ligand binding, post-translational modifications and mutations, even in systems where traditional structure determination techniques remain challenging to implement. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Allostery is a regulatory mechanism for proteins, which controls functional properties of one distinct site through the perturbation of another distinct, and often distant, site. The two sites are connected via a series of residues that undergo conformational changes once perturbed by the allosteric effector. Mapping these communication pathways reveals mechanisms of protein regulation, which are invaluable for developing pharmacological modulators to target these pathways or for understanding the mechanisms of disease mutations that disrupt these pathways. Allosteric pathways have been traditionally determined using structure determination approaches that provide a static snapshot of the protein’s structure. However, these approaches are typically not effective when allostery relies extensive changes in dynamics. The goal of this thesis was to develop methods to characterize systems that are dynamic or otherwise unsuitable for traditional structure determination. Herein, we utilize NMR spectroscopy to analyze the allosteric mechanisms of three cAMP-binding proteins involved in cardiovascular health.

Die Eigenschaften einzelner Nervenzellen sind von grundlegender Bedeutung für die Verarbeitung von Informationen im Nervensystem. Neuronen antworten auf Eingangsreize durch Veränderung der elektrischen Spannung über die Zellmembran. Die Spannungsantwort wird dabei durch die Dynamik der Ionenkanäle in der Zellmembran bestimmt. In dieser Arbeit untersuche ich anhand von leitfähigkeits-basierten Modellneuronen den Einfluss von Ionenkanälen auf zwei Aspekte der Signalverarbeitung: die Frequenz-Selektivität sowie die Zuverlässigkeit und zeitliche Präzision von Aktionspotentialen. Zunächst werden die zell-intrinsischen Mechanismen identifiziert, welche the Frequenz-Selektivität und die Zuverlässigkeit bestimmen. Weiterhin wird untersucht, wie Ionenkanäle diese Mechanismen modulieren können, um die Integration von Signalen zu optimieren. Im ersten Teil der Arbeit wird demonstriert, dass der Mechanismus der unterschwelligen Resonanz, so wie er bisher für periodische Signale beobachtet wurde, auch auf nicht-periodische Signale anwendbar ist und sich ebenfalls in den Feuerraten niederschlägt. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit von Aktionspotentialen mit der Stimulusfrequenz variieren und dass, in Abhängigkeit davon, ob das Stimulusmittel über- oder unterhalb der Feuerschwelle liegt, zwei Stimulusregime unterschieden werden müssen. In beiden Regimen existiert eine bevorzugte Stimulusfrequenz, welche durch die Gesamtleitfähigkeit und die Dynamik spezifischer Ionenkanäle moduliert werden kann. Im dritten Teil wird belegt, dass Ionenkanäle die Zuverlässigkeit auch direkt über eine Veränderung der Sensitivität einer Zelle gegenüber neuronalem Rauschen bestimmen können. Die Ergebnisse der Arbeit lassen auf eine wichtige Rolle der dynamischen Regulierung der Ionenkanäle für die Frequenz-Selektivität und die zeitliche Präzision und Zuverlässigkeit der Spannungsantworten schließen. / The properties of individual neurons are of fundamental importance for the processing of information in the nervous system. The generation of voltage responses to input signals, in particular, depends on the properties of ion channels in the cell membrane. Within this thesis, I employ conductance-based model neurons to investigate the effect of ionic conductances and their dynamics on two aspects of signal processing: frequency-selectivity and temporal precision and reliability of spikes. First, the cell-intrinsic mechanisms that determine frequency selectivity and spike timing reliability are identified on the basis of conductance-based model neurons. Second, it is analyzed how ionic conductances can serve to modulate these mechanisms in order to optimize signal integration. In the first part, the frequency selectivity of subthreshold response amplitudes previously observed for periodic stimuli is proven to extend to nonperiodic stimuli and to translate into firing rates. In the second part, it is demonstrated that spike timing reliability is frequency-selective and that two different stimulus regimes have to be distinguished, depending on whether the stimulus mean is below or above threshold. In both cases, resonance effects determine the most reliable stimulus frequency. It is shown that this frequency preference can be modulated by the peak conductance and dynamics of specific ion channels. In the third part, evidence is provided that ionic conductances determine spike timing reliability beyond changes in the preferred frequency. It is demonstrated that ionic conductances also exert a direct influence on the sensitivity of the timing of spikes to neuronal noise. The findings suggest an important role for dynamic neuromodulation of ion channels with regard to frequency selectivity and spike timing reliability.

Rhythmische neuronale Aktivität spielt vermutlich eine wichtige Rolle in der Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem. Oszillationen neuronaler Netze sind heterogen, von der Hirnregion und ihrer Funktion abhängig und werden entsprechend ihrer Frequenz eingeteilt. Für ihre Entstehung sind über die Verschaltung der Neuronen und der synaptischen Übertragung hinaus insbesondere die Erregbarkeit und Oszillationseigenschaften einzelner Neurone von Bedeutung. Bestimmte Zellen der hippokampalen Formation wie zum Beispiel Sternzellen (SC) der Schicht II des Entorhinalkortex zeigen oszillatorische Aktivität und antworten verstärkt auf Stimuli einer bestimmten Frequenz – sie sind resonant. Beide Phänomene werden auf spezifische spannungsabhängige Leitfähigkeiten in der Membran zurückgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Resonanzfrequenz von SCs durch das Muster der vorhandenen Leitfähigkeiten bestimmt wird und von der Position der Zelle entlang der dorso-ventralen Achse abhängt. Dieser Gradient ist bereits in frühen Entwicklungsstadien nachweisbar. Im Zuge der weiteren Entwicklung werden SCs weniger erregbar und der Bereich der Resonanzfrequenz dehnt sich nach dorsal aus. Pharmakologische Experimente ergaben, dass die Resonanz von SCs von HCN-Kanälen abhängt und von Kv7-Kanälen moduliert wird. Außerdem konnten zwei, bisher unbekannte Klassen von oszillatorischen Interneuronen beschrieben werden, deren Resonanz ebenfalls im Theta-Bereich liegt und auf ähnliche Leitfähigkeiten zurückgeführt werden kann. Weitere, auch CA1-Pyramidenzellen einschließende Experimente ergaben, dass HCN-Kanäle die allgemeine Voraussetzung für Resonanz zu sein scheinen während Kv7-Kanäle potente Modulatoren darstellen. Die pharmakologische Blockade dieser Kanäle unterbrach Netzwerkoszillation im Hippokampus. Dies unterstützt die These, dass bestimmte Leitfähigkeiten Neuronen Resonanzeigeschaften verleihen und somit wiederum Netzwerkoszillationen unterstützen. / Rhythmic neuronal activity is thought to be crucial for information processing in the brain. Neuronal network oscillations are heterogeneous, vary with brain region and type of information processed. They are classified according to their frequency content. Their generation relies on network circuitry, synaptic transmission and neuronal properties. Oscillatory behavior of individual cells has been particularly implicated. Different cell types within the hippocampal formation such as layer II stellate cells (SC) of the medial entorhinal cortex display oscillatory activity and are resonant, i.e., respond preferentially to stimuli of a given frequency. Voltage dependent ionic conductances have been suggested to give rise to these phenomena. It was found that resonance of SCs is defined by the composition of voltage-dependent channels embedded in their membrane and changes with their position along the dorsal-ventral axis. This gradient of SC properties develops during early postnatal life. During the transition to adulthood cells become less excitable and the range of resonance frequencies expands in the dorsal direction. Pharmacological experiments reveal the resonance of SCs to depend strongly on HCN-channels and to be modulated by Kv7-channels. Also, two previously unknown classes of oscillating interneurons were identified in the stratum radiatum of the CA1 region. These are targeted by neurons from the dentate gyrus, display frequency preferences in the theta range which relies on similar membrane conductances. Further experiments including CA1 pyramidal cells suggested HCN-channels to be the primary global requirement for resonance whereas Kv7-channels appear to be effective modulators. Pharmacological blockade of these channels disrupted ongoing network oscillations in the hippocampus. This supports the notion that specific ion channels support rhythmic activity of individual cells and in turn of entire networks.

Die exzitatorische Neurotransmission im gesamten Zentralnervensystem (ZNS) der Wirbeltiere wird weitgehend durch die α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure-Rezeptoren (AMPARs) vermittelt. AMPARs sind Glutamat-gesteuerte Ionenkanäle, die sich an der postsynaptischen Membran befinden, wo sie den Kern makromolekularer Komplexe mit einer Reihe von Hilfsproteinen bilden, die die Rezeptorfunktion konzertiert regulieren. Die bekanntesten dieser Proteine sind die transmembranen AMPA-Rezeptor-Regulierungsproteine (TARPs). TARPs zeigen eine verwirrende Reihe von Effekten auf den Handel, die synaptische Verankerung, die Gate-Kinetik und die Pharmakologie von AMPARs. Über die strukturellen Merkmale des AMPAR-TARP-Komplexes wurde zunehmendes Wissen gesammelt. Die molekularen Mechanismen, die der TARP-Modulation der AMPARs zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Studie wurden die AMPAR-TARP-Interaktionen mit Hilfe der Elektrophysiologie in 293 Zellen der menschlichen embryonalen Niere (HEK) untersucht. Die Rolle der extrazellulären TARP-Schleifen, Loop1 (L1) und Loop2 (L2), bei der Modulation der AMPAR-Ansteuerung wurde analysiert. Es wurde ein Modell für die TARP-Modulation vorgeschlagen, das auf vorhergesagten zustandsabhängigen Wechselwirkungen von TARP L1 und L2 mit dem AMPAR basiert. Da die nativen AMPARs im Gehirn hauptsächlich aus heterotetrameren Zusammensetzungen von vier verschiedenen Untereinheiten (GluA1-4) bestehen, wurden außerdem verschiedene Zusammensetzungen von AMPAR-Untereinheiten getestet. Es wurden sowohl gemeinsame als auch von den Untereinheiten abhängige Mechanismen der AMPAR-Modulation durch TARPs beobachtet. Zusammenfassend liefern diese Experimente den Nachweis, dass TARP L1 und L2 nicht an der Assoziation von AMPAR-TARP-Komplexen beteiligt sind und die Modulation der AMPAR-Ansteuerung durch TARPs vollständig erklären können. / Excitatory neurotransmission throughout the vertebrate central nervous system (CNS) is largely mediated by the α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs). AMPARs are glutamate-gated ion channels located at the postsynaptic membrane, where they compose the hub of macromolecular complexes with a number of auxiliary proteins that concertedly regulate the receptor function. Among these proteins the most known ones are the transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs). TARPs show a bewildering array of effects on the trafficking, synaptic anchoring, gating kinetics and pharmacology of AMPARs. Growing knowledge has been gathered about the structural features of the AMPAR-TARP complex. However, the molecular mechanisms underlying TARP modulation of AMPARs have not been fully revealed yet. Given that higher brain functions rely upon AMPAR activity and dysregulation of AMPARs has been associated to life-threatening CNS disorders, big efforts are being made to unravel the molecular machinery behind AMPAR regulation and to identify AMPAR auxiliary proteins as potential pharmacological targets. In the present study, AMPAR-TARP interactions were investigated using electrophysiology in human embryonic kidney (HEK) 293 cells. The role of TARP extracellular loops, Loop1 (L1) and Loop2 (L2), in the modulation of AMPAR gating was analysed. A model for TARP modulation has been proposed, based on predicted state-dependent interactions of TARP L1 and L2 with the AMPAR. Moreover, considering that native AMPARs in the brain mainly consist of heterotetrameric assemblies of four distinct subunits (GluA1-4), different AMPAR subunit compositions were tested. Common as well as subunit-dependent mechanisms of AMPAR modulation by TARPs have been observed. In summary, these experiments provided evidence that TARP L1 and L2 are not involved in association of AMPAR-TARP complexes and can entirely account for the modulation of AMPAR gating by TARPs.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden die Ionenkanäle von Mikrogliazellen mit Hilfe der Patch-clamp-Technik untersucht, nachdem die Mikrogliazellen in den deaktivierten Zustand überführt worden waren. Die Deaktivierung der Mikroglia erfolgte durch die Zugabe des astrozytenkonditionierten Mediums. Nach der Deaktivierung exprimierten die Mikrogliazellen einwärts- und auswärtsgleichrichtende sowie Ca2+-aktivierte Kaliumkanäle. Der auswärtsgleichrichtende Kaliumkanal wurde erst nach Zugabe des astrozytenkonditionierten Mediums exprimiert, wobei das durch die Astrozyten freigesetzte Zytokin transformierender Wachstumsfaktor für diesen Prozeß verantwortlich gemacht werden konnte. Zusätzlich wurden Chloridkanäle an deaktivierten Mikrogliazellen nachgewiesen, die an den Ramifizierungsprozessen der Zellen, d.h. dem Übergang von der amöboiden in die ramifizierte Zellmorphologie, beteiligt waren. Die an Mikrogliazellen exprimierten Protonenkanäle spielen offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Generierung von reaktiven Sauerstoffradikalen und wurden im Prozeß der Deaktivierung der Mikrogliazellen herunterreguliert. / The current work describes patch clamp recordings in cultured murine microglial cells, which had been deactivated following exposure to astrocyte-conditioned medium. Deactivated microglial cells expressed inwardly rectifying, outwardly rectifying and calcium-activated potassium channels. The outwardly rectifying potassium channels were upregulated following treatment of microglial cells with the astrocyte-conditioned medium. The anti-inflammatory cytokine transforming growth factor was released by astrocytes and appeared to be responsible for the observed upregulation of outwardly rectifying potassium channels in deactivated microglia. In addition, deactivated microglial cells expressed chloride channels, which were found to be involved in microglial ramification, i.e., in the transformation of microglial cells from ameboid into ramified morphology. Voltage-gated proton channels, which are involved in processes of oxygen radical generation, were downregulated in deactivated microglial cells.

Durch Ausübung physiologischer Grundfunktionen spielen Ionenkanäle eine entscheidende Rolle für die reguläre Funktion von Zellen. Zum besseren Verständnis ihrer Struktur und Funktion sind Untersuchungen natürlicher und künstlicher Ionenkanäle wichtige Werkzeuge. Großes analytisches und therapeutisches Potential ist in der Untersuchung künstlicher Kanäle in lebenden Zellen vorhanden, was bisher wenig Beachtung fand. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung der künstlichen Ionenkanäle THF-gram, THF-gram-TBDPS sowie linked-gram-TBDPS auf elektrophysiologische Eigenschaften boviner Trabekelwerkszellen des Auges anhand von Patch-Clamp-Untersuchungen im Whole-Cell-Modus analysiert. Die Untersuchung brachte folgende Erkenntnisse: 1. Die Inkorporation aller drei Verbindungen war erfolgreich, was sich durch Anstieg der Stromdichte und Verschiebung des Umkehrpotentials zeigte. 2. Einbau von THF-gram und THF-gram-TBDPS war mit dem Überleben der Zellen vereinbar, während linked-gram-TBDPS aufgrund einer sehr potenten Antwort bereits bei sehr geringen Konzentrationen zum raschen Zelltod führte. 3. Eine Asymmetrie der Stromantwort zugunsten stärkerer Auswärtsströme wurde bei THF-gram und in schwächerer Ausprägung bei THF-gram-TBDPS festgestellt. Linked-gram-TBDPS zeigte keine derartige Asymmetrie. 4. Unter Verwendung von Cs+ als Ladungsträger war der beobachtete Anstieg der Stromdichte bei allen drei Verbindungen eindeutig stärker als unter physiologischen Bedingungen (Na+/K+). 5. Die dargestellten Erkenntnisse sind ein erster Schritt zur therapeutischen Anwendung von künstlichen Ionenkanälen. Eine Weiterentwicklung in Richtung höherer Selektivität und besserer Kontrolle ist jedoch genauso erforderlich wie die Klärung der klinischen Umsetzbarkeit. / Ion channels play a pivotal role for regular cell function. To better understand their structure and function, investigation of both natural and artificial ion channels is being performed to date. Investigation of artificial channels in living cells hides a big potential, however, little attention has been paid to this field so far. In this work, the effect of the artificial ion channels THF-gram, THF-gram-TBDPS and linked-gram-TBDPS on electrophysiological properties of bovine trabecular meshwork cells was investigated with the patch-clamp-technique. Following results were obtained: 1. Incorporation of all three compounds was successful, which was proven by increase of current density and cell depolarisation. 2. The cells survived after incorporation of THF-gram and THF-gram-TBDPS but not after linked-gram-TBDPS, which resulted in cell death at very low concentrations. 3. Larger outward currents were observed with THF-gram and, at a lower extent, with THF-gram-TBDPS. Linked-gram-TBDPS did not show such an asymmetry. 4. With Cs+ as charge carrier all three compunds showed a stronger increase of current density than under physiological conditions (Na+/K+). 5. The decribed results are a first step towards therapeutic application of artificial ion channels, however, further development towards higher selectivity and better control is as necessary as clarification of clinical feasibility.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Carbon nanotubes (CNTs) are one of the most common nanoparticles (NP) found in workplace air. Therefore, there is a strong chance that these NP will enter the human body. They have similar physical properties to asbestos, a known toxic material, yet there is limited evidence showing that CNTs may be hazardous to human barrier epithelia. In previous studies done in our laboratory, the effects of CNTs on the barrier function in the human airway epithelial cell line (Calu-3) were measured. Measurements were done using electrophysiology, a technique which measures both transepithelial electrical resistance (TEER), a measure of monolayer integrity, and short circuit current (SCC) which is a measure of vectorial ion transport across the cell monolayer. The research findings showed that select physiologically relevant concentrations of long single-wall (SW) and multi-wall (MW) CNTs significantly decreased the stimulated SCC of the Calu-3 cells compared to untreated cultures. Calu-3 cells showed decreases in TEER when incubated for 48 hours (h) with concentrations of MWCNT ranging from 4µg/cm2 to 0.4ng/cm2 and SWCNT ranging from 4µg/cm2 to 0.04ng/cm2. The impaired cellular function, despite sustained cell viability, led us to investigate the mechanism by which the CNTs were affecting the cell membrane. We investigated the interaction of short MWCNTs with model lipid membranes using an ion channel amplifier, Planar Bilayer Workstation. Membranes were synthesized using neutral diphytanoylphosphatidylcholine (DPhPC) and negatively charged diphytanoylphosphatidylserine (DPhPS) lipids. Gramicidin A (GA), an ion channel reporter protein, was used to measure changes in ion channel conductance due to CNT exposures. Synthetic membranes exposed to CNTs allowed bursts of currents to cross the membrane when they were added to the membrane buffer system. When added to the membrane in the presence of GA, they distorted channel formation and reduced membrane stability.

Thesis (PhD)-- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Ventricular arrhythmias are the most important cause of sudden cardiac death (SCD) among adults living in industrialised nations. Genetic factors have substantial effects in determining population-based risk for SCD and may also account for inter-individual variability in susceptibility. Great progress has been made in identifying genes underlying various Mendelian disorders associated with inherited arrhythmia susceptibility. The most well studied familial arrhythmia syndrome is the congenital long QT syndrome (LQTS) caused by mutations in genes encoding subunits of myocardial ion channels. Not all mutation carriers have equal risk for experiencing the clinical manifestations of disease (i.e. syncope, sudden death). This observation has raised the possibility that additional genetic factors may modify the risk of LQTS manifestations. This study establishes the genetic aetiology of LQTS in South Africa and Denmark through the identification and characterisation of LQTS-causative mutations in five previously identified genes, as well as examining possible novel genetic causes of LQTS in a cohort comprising Danish and British probands. We have functionally characterised several of the mutations identified in this study and examined other cardiac phenotypes that may be explained by variants causing repolarisation disorders. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Ventrikulêre aritmie bly die enkele belangrikste oorsaak van skielike hart dood (SCD) onder volwassenes wat in geïndustrialiseerde lande woon. Genetiese faktore het aansienlike gevolge in die bepaling van bevolking-gebaseerde risiko vir SCD en kan ook verantwoordelik wees vir die inter-individuele variasie in vatbaarheid. Groot vordering is gemaak in die identifisering van gene onderliggende verskeie Mendeliese siektes wat verband hou met geërf aritmie vatbaarheid. Die mees goed bestudeerde familie aritmie sindroom is die aangebore lang QT-sindroom (LQTS) wat veroorsaak word deur mutasies in gene kode subeenhede van miokardiale ioonkanale. Nie alle mutasie draers het 'n gelyke risiko vir die ervaring van die kliniese manifestasies van die siekte (dws sinkopee, skielike dood). Hierdie waarneming het die moontlikheid genoem dat genetiese faktore anders as die primêre siekte-verwante mutasie kan die risiko van LQTS manifestasies verander. Hierdie studie stel die genetiese oorsake van LQTS in Suid-Afrika en Denemarke deur die identifisering en karakterisering van LQTS-veroorsakende mutasies in vyf voorheen geïdentifiseer gene, asook die behandeling van moontlike nuwe genetiese oorsake van LQTS in 'n groep wat bestaan uit van die Deense en die Britse probands. Ons het funksioneel gekenmerk verskeie van die mutasies wat in hierdie studie ondersoek en ander kardiovaskulêre fenotipes wat deur variante veroorsaak repolarisasie versteurings verduidelik word. / South African National Research Foundation / Harry and Doris Crossley Foundation / Danish Strategic Research Foundation.