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Voltage gated potassium channels (Kv) play a key role in the nervous system- not only due to their involvement in the action potential. Vertebrates express four subtypes, which are termed Kv1, Kv2, Kv3 and Kv4, respectively. Tsha3 is a Kv1 channel which was originally isolated from brain tissue of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). This channel possesses an unique amino terminus and a characteristic amino acid sequence in the T1 domain, which is engaged in the oligomerization of Kv α-subunits and is thus involved into the segregation of subfamilies. The two major goals of this thesis were the structural and functional characterization of the N-terminal cytosolic domain of Tsha3 as well as the invention of a system to gain data about the functional dynamics of full length Kv channels. Molecular biological techniques were used to isolate mRNA from trout brains, to transcribe it into cDNA and clone it into vectors. DNA from such plasmids was ligated into expression vectors for heterologous expression in E. coli, P. pastoris and Sf21 cells, with concomitant fusion of marker proteins (GFP or DsRed) or tags (6 x HisTag or StrepTagII) due to the individual experiment. Protein was overexpressed in E. coli and affinity purified to analyze separated domains with biochemical (SDS-PAGE and Western Blot, Pull-Down-Assay or Dot-Blot-Assay) or biophysical (CD-spectroscopy, EPR spectroscopy) efforts. The P. pastoris system to express Tsha1 was established, to generate a system for future EPR-measurements of whole Kv channels. Heterologous expression of Kv1α (Tsha3 and Tsha1) and the core domain of Kvβ in Sf21 cells was performed to analyze the subcellular distribution of the respective subunits via fluorescence microscope and via subcellular fractionation of cell lysates with downstream biochemical analyses (SDS-PAGE and Western Blot). Furthermore the gating of diverse fusion constructs of Tsha3 in co-expressions and the gating of diverse cystein substitution mutants of Tsha1 were measured via path-clamp recordings in whole cell modus. The structural analyses of the N-terminal cytosolic domain (NCD) of Tsha3 revealed that the 128 amino acid containing part before the T1-domain (Tsha3-NT) can be structurally divided into three parts of different structure and mobility. The most outward part possesses a very high mobility and is putatively unfolded as random coil. This section is expected to express no tertiary contacts. The middle part of Tsha3-NT is structured in α-helices and β-sheets and thus slightly immobile. This folded part is also assumed to build no tertiary structure and to be exposed into the cytosol. The third, which is directly neighboring the T1 domain, has the most restricted mobility of Tsha3-NT. It consists predominantly of α-helices and exhibits a tertiary structure, putatively with the T1 domain. Tsha3-NCD self-tetramerizes and oligomerizes with Tsha1, although mutations exist in Tsha3 in conserved amino acids, which were reported to function in subfamily specific hetero-tetramerization. Thus it is proven, that Tsha3 takes part in the segregation into the Kv1 subfamily. Furthermore, Tsha3 interacts with the core domain of Kvβ2 although there are also mutations in the reported consensus sequence for interaction. Association of Kvβ2 in co-expression studies directs Tsha3-DsRed fusion constructs from internal vesicular structures into the cell membrane. But the fusion with DsRed is leading to a loss of function of Tsha3 which cannot be rescued by co-expression of the chaperone Kvβ2. But- without fusion of marker proteins- Tsha3 was identified as an outward rectifier in a cooperative Bachelor Thesis. These structural data lead to the assumption, that Tsha3-NT exhibits lateral interactions and especially the helical but mobile middle part of the N-terminus can play such a role. Due to the localization next to the membrane, interactions with membrane proteins- putatively with protein cascades are possible. Although Tsha3-NT contains no reported interaction domains for protein-protein interactions, follow-up experiments should be performed to shed light on this interesting question. Tsha1 C30S C31S C180S C224A C239S C389S C424S C476S is a complete cysteine free mutant, which was identified as a functional voltage-gated potassium channel. It was expressed in and purified from eukaryotic cells (P. pastoris) and therefore it can be assumed to be properly folded and modified. After a slight optimization of the features of expression, this system can be used to reconstitute Tsha1 channels into liposomes and use them for Freeze Quench EPR to gain structural information about a Kv1 channel in the open as well as in the closed state. This is the first report of the establishment of a full length Kv for studies of structure and functional dynamics experiments.

Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle in vielen physiologischen Prozessen. Während manche Kanäle hochspezifisch für eine Ionensorte sind, sind andere Kanäle weniger selektiv. Tetramere Ionenkanäle weisen eine gemeinsame Grundarchitektur auf, von der nur ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) abweichen, deren Struktur im Vergleich zu den anderen invertiert ist. Eine Untergruppe der iGluRs stellen α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid Rezeptoren (AMPARs) dar, welche im Zentralnervensystem von Wirbeltieren die Mehrheit der exzitatorischen Neurotransmission übernehmen. Eine einzelne posttranskriptionelle Veränderung (Glutamin zu Arginin) an der Spitze des Selektivitätsfilters (SF, Q/R Stelle) von AMPAR-Typ 2 (GluA2) macht den Kanal quasi undurchlässig für Ca2+. Das Ziel dieser Arbeit war das Erstellen einer GluA2-Kanalchimäre mit Hilfe des bakteriellen Kanals NaK. Mutation rund um die Q/R Stelle wurden nicht toleriert von der Chimäre, während C-terminale Mutationen des SF stabil waren und für strukturelle Studien verwendet wurden. Die Entfernung einer Aminosäure im Vergleich zum NaK Wildtyp erzeugte eine Begradigung des SF und eine Erweiterung der wassergefüllten Ausbuchtung. Überraschenderweise kristallisierten die NaK Chimären überwiegend in zweifach symmetrischer Anordnung. Vor allem im SF kam es zu ausgeprägter lokaler Asymmetrie, unabhängig von der Ionenzusammensetzung. Um die Flexibilität des SF näher zu untersuchen, wurden Aminosäuren von NaK in GluA2 integriert und mithilfe von Patch-clamp Elektrophysiologie untersucht. Gleichsam wie in NaK, wurden Mutationen an der Filterspitze nicht toleriert, wohingegen die C-terminale Hälfte problemlos ausgetauscht werden konnte. Die funktionelle Integrität der NaK Chimäre wurde mithilfe von Einzelkanalmessungen in Bilayern überprüft. Zusätzlich wurden, auf Basis der gelösten Strukturen, Molekulardynamiksimulationen durchgeführt, welche einen dynamischen Einblick in den Permeationsmechanismus erlauben. / Ion channels play an important role in many physiological processes, for example the generation of action potentials. While some channels display high selectivity for one ion species, others are more promiscuous. All tetrameric cation channels share the same principal architecture, but the transmembrane domain of ionotropic glutamate receptors (iGluRs) is inverted relative to the other members. A subfamily of iGluRs, α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs), mediates the vast majority of excitatory neurotransmission in the vertebrate central nervous system. In AMPA-type 2 iGluRs (GluA2), a single post-transcriptional modification (glutamine to arginine) at the tip of the selectivity filter (SF, Q/R site) renders the channel Ca2+ impermeable. The aim of this thesis was therefore to create an AMPAR pore mimic by using the bacterial channel NaK. Unfortunately, mutations around the Q/R site abolished expression of the NaK-GluA2 chimera, while C-terminal mutations of the SF were stable and could be used for structural studies. The shortening of the SF by one amino acid caused a straightening and opened an extended water-filled vestibule. Strikingly, most of the tested chimeras exhibited twofold symmetry with strong local asymmetry in the mutated part of the SF independent of the ion type present. For functional tests, residues from NaK wt were also swapped into GluA2. N-terminal mutations abolished the current response, whereas C-terminal mutations behaved wt-like. Single-channel bilayer experiments confirmed the functional integrity of the NaK-GluA2 chimera. Additionally, extensive molecular dynamics simulations, based on the solved structures, were carried out alongside. In summary, it could be demonstrated that the SF of the non-selective NaK-GluA2 chimera is highly flexible and accommodated all tested ions. Ion binding is accompanied by local asymmetric rearrangements, possibly creating an energetically simple way to allow permeation.

Ionenkanäle sind für die zelluläre Homöostase und die elektrische Aktivität in höheren Eukaryoten essentiell. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem nichtselektiven Kanal NaK und seinen kaliumselektiven Mutanten. Die Bedeutung von Ionenkanälen wird in Kapitel 1 speziell für die kationenselektive Ionenkanal-Superfamilie diskutiert. Darin werden verschiedene Vertreter dieser Superfamilie untersucht und ihre Strukturen und Ionenselektivität analysiert. In Kapitel 2 wird gezeigt, dass NaK zwei unterschiedliche Selektivitätsfilterkonformationen aufweist, die entweder durch Na+- oder K+-Ionen stabilisiert sind. Unter Verwendung von Festkörper-NMR Spektroskopie und molekulardynamischen Simulationen wurden zwei Ionenleitungswege entdeckt. In Kapitel 3 wurde eine Kristallstruktur von NaK ermittelt, welche die vorhergesagte und für den Seiteneintrittsmechanismus essentielle seitliche Ionenbindungsstelle bestätigt. Die zwei Untereinheiten in der asymmetrischen Einheit zeigen die dynamische Natur der unteren Teile der Transmembranhelices sowie duale Konformationen für die Reste im Selektivitätsfilter. Im Gegensatz zu NaK sind die kaliumselektiven Mutanten ionensensitiver, wie in Kapitel 4 gezeigt: Unter Na+-Bedingungen verliert der gesamte Selektivitätsfilter in den kaliumselektiven Mutanten seine Stabilität. Die stärkere Verbindung zwischen Selektivitätsfilter und der Porenhelix in den kaliumselektiven Mutanten ermöglicht keine nichtselektive Ionenleitung. Unter Verwendung von protonendetektierter Festkörper-NMR wurde die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und der kaliumselektiven Mutante NaK2K charakterisiert und präsentiert in Kapitel 5. Es wurde gezeigt, dass der Selektivitätsfilter von NaK2K unter physiologischen Bedingungen wasserfrei ist. Diese Ergebnisse werden in Kapitel 6 im Ganzen betrachtet und die verbleibenden Fragen werden erörtert, außerdem wird ein kurzer Ausblick auf die zukünftige Forschung zum Thema Ionenselektivität im NaK-Kanal gegeben. / Ion channels are essential to cellular homeostasis and electrical activity in higher eukaryotes. This thesis discusses the non-selective channel NaK and its potassium-selective mutants. The importance of ion channels is discussed in chapter 1 with a special focus on the tetrameric cation-selective ion channel superfamily. Various members of this superfamily are explored and their structures and ion selectivity are analysed. NaK is shown to have two distinct selectivity filter conformations that are stabilized by either Na+ or K+ ions in chapter 2. Using solid-state NMR spectroscopy and molecular dynamics simulations, two ion conduction pathways were discovered. In chapter 3 a crystal structure of NaK was determined that confirms the previously predicted side-entry ion binding site, essential to the side-entry pathway. The two subunits in the asymmetric unit display the dynamical nature of the lower parts of the transmembrane helices as well as dual conformations for residues in the selectivity filter. In contrast to NaK the potassium-selective mutants are more ion sensitive as shown in chapter 4. The entire selectivity filter loses its stability under Na+ conditions for the potassium-selective mutants. The stronger connection of the selectivity filter and the pore helix in the potassium-selective mutants does not allow for non-selective ion conduction. Using proton-detected ssNMR, the interaction between water molecules and the potassium-selective mutant NaK2K was characterized and this is presented in chapter 5. The selectivity filter of NaK2K was shown to be free of water under physiological conditions. These results get put in perspective and the questions which remain are discussed in chapter 6. A short outlook on future research for the topic of ion selectivity in the NaK channel is given.

Die elektrische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf deren erregbarer Zellmembran. Üblicherweise wird angenommen, dass die in der Membran eingebetteten leitfähigen Ionenkanäle nicht auf direkte Art gekoppelt sind und dass die Kapazität des von der Membran gebildeten Kondensators konstant ist. Allerdings scheinen diese Annahmen nicht für alle Nervenzellen zu gelten. Im Gegenteil, verschiedene Ionenkanäle “kooperieren” und auch die Vorstellung von einer konstanten spezifischen Membrankapazität wurde kürzlich in Frage gestellt. Die Auswirkungen dieser Abweichungen auf die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen ist das Thema der folgenden kumulativen Dissertationsschrift. Im ersten Projekt wird gezeigt, auf welche Weise stark kooperative spannungsabhängige Ionenkanäle eine Form von zellulärem Kurzzeitspeicher für elektrische Aktivität bilden könnten. Solche kooperativen Kanäle treten in der Membran häufig in kleinen räumlich getrennte Clustern auf. Basierend auf einem mathematischen Modell wird nachgewiesen, dass solche Kanalcluster als eine bistabile Leitfähigkeit agieren. Die dadurch entstehende große Speicherkapazität eines Ensembles dieser Kanalcluster könnte von Nervenzellen für stufenloses persistentes Feuern genutzt werden -- ein Feuerverhalten von Nutzen für das Kurzzeichgedächtnis. Im zweiten Projekt wird ein neues Dynamic Clamp Protokoll entwickelt, der Capacitance Clamp, das erlaubt, Änderungen der Membrankapazität in biologischen Nervenzellen zu emulieren. Eine solche experimentelle Möglichkeit, um systematisch die Rolle der Kapazität zu untersuchen, gab es bisher nicht. Nach einer Reihe von Tests in Simulationen und Experimenten wurde die Technik mit Körnerzellen des *Gyrus dentatus* genutzt, um den Einfluss von Kapazität auf deren Feuerverhalten zu studieren. Die Kombination beider Projekte zeigt die Relevanz dieser oft vernachlässigten Facetten von neuronalen Membranen für die Signalverarbeitung in Nervenzellen. / Electrical signaling in neurons is shaped by their specialized excitable cell membranes. Commonly, it is assumed that the ion channels embedded in the membrane gate independently and that the electrical capacitance of neurons is constant. However, not all excitable membranes appear to adhere to these assumptions. On the contrary, ion channels are observed to gate cooperatively in several circumstances and also the notion of one fixed value for the specific membrane capacitance (per unit area) across neuronal membranes has been challenged recently. How these deviations from the original form of conductance-based neuron models affect their electrical properties has not been extensively explored and is the focus of this cumulative thesis. In the first project, strongly cooperative voltage-gated ion channels are proposed to provide a membrane potential-based mechanism for cellular short-term memory. Based on a mathematical model of cooperative gating, it is shown that coupled channels assembled into small clusters act as an ensemble of bistable conductances. The correspondingly large memory capacity of such an ensemble yields an alternative explanation for graded forms of cell-autonomous persistent firing – an observed firing mode implicated in working memory. In the second project, a novel dynamic clamp protocol -- the capacitance clamp -- is developed to artificially modify capacitance in biological neurons. Experimental means to systematically investigate capacitance, a basic parameter shared by all excitable cells, had previously been missing. The technique, thoroughly tested in simulations and experiments, is used to monitor how capacitance affects temporal integration and energetic costs of spiking in dentate gyrus granule cells. Combined, the projects identify computationally relevant consequences of these often neglected facets of neuronal membranes and extend the modeling and experimental techniques to further study them.