Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2007

University, Diss.--Frankfurt/M., 2000.

University, Diss., 2006--Würzburg.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

The polyspecific organic cation transporters (OCT) are involved in the elimination and distribution of drugs, environmental toxins, and endogenous organic cations including monoamine neurotransmitters. Steroid hormones inhibit organic cation transport by the three OCT subtypes with different affinities showing distinct species difference; for example, the IC50 values for corticosterone inhibition of cation uptake by transporters rOCT1 and rOCT2 are ~150μM and ~4 μM, respectively. By introducing domains and amino acids from rOCT2 into rOCT1, we identified three amino acids in the presumed 10th TMD of rOCT2 which are responsible for the higher affinity of corticosterone in comparison to rOCT1. This is the first study which revealed the components of the binding site for corticosterone in OCTs. The evidence is presented that these amino acids (alanine 443, leucine 447, and glutamine 448 in rOCT1 and isoleucine 443, tyrosine 447, and glutamate 448 in rOCT2) are probably located within the substrate binding region of OCTs since the affinity of transported cations was increased together with the affinity of corticosterone. In the double mutant rOCT1(L447Y/Q448E) the IC50 value for the inhibition of [3H]MPP (0.1 μM) uptake by corticosterone (24 ± 4 μM) was significantly higher compared to the IC50 value for inhibition of [14C]TEA (10 μM) uptake (5.3 ± 1.7 μM), indicating an allosteric interaction between transported substrate and corticosterone. The data suggest that more than one compound can bind simultaneously to the substrate binding region. These results confirm previous suggestion that binding of substrates and inhibitors to OCTs involves interaction with a comparatively large surface that may include multiple binding domains rather than with a structurally restricted single binding site. / Die polyspezifischen Transporter für organische Kationen (OCT) spielen eine wichtige Rolle bei der Ausscheidung von Medikamenten, Toxinen und endogenen organischen Kationen, zu denen auch monoamine Neurotransmitter gehören. Der durch OCT vermittelte Transport von organischen Kationen kann von Steroidhormonen gehemmt werden, die für drei OCT Subtypen deutlich unterschiedliche Affinität aufweisen: Zum Beispiel, IC50 Werte der Hemmung des Transportes von organischen Kationen durch Corticosteron betragen ~ 150 μM für rOCT1 und ~ 4 μM für rOCT2. Mithilfe des Austausches von rOCT1 Domänen und einzelnen Aminosäuren gegen die entsprechenden Elemente des rOCT2 Moleküls haben wir in der 10th TMD von rOCT2 drei Aminosäuren identifiziert, die für die höhere Affinität des rOCT2 Transporters zu Corticosteron verantwortlich sind. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal die Aminosäuren identifiziert, die zu der Bindungsstelle eines OCT Transporters für Corticosteron gehören. Die Ergebnisse der Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese drei Aminosäuren (Alanin 443, Leucin 447 und Glutamin 448 in rOCT1 und Isoleucin 443, Tyrosin 447 und Glutamat 448 in rOCT2) hochwahrscheinlich in der ubstratbindungstasche von OCT liegen, da zusammen mit der Erhöhung der Affinität zu Corticosteron stieg auch die Affinität zu transportierenden Substraten. Für die doppelte Mutante rOCT1(L447Y/Q448E) unterscheiden sich die IC50 Werte für die Hemmung des [3H]MPP (0,1 μM) und des [14C]TEA (10 μM) Transportes durch Corticosteron um Faktor 4 (24 ± 4 μM bzw. 5,3 ± 1,7 μM), was eine allosterische Interaktion zwischen transportierenden Substraten und Corticosteron vermuten lässt. Die Daten deuten darauf hin, dass mehr als eine Substanz sich gleichzeitig an die Substratbindungsregion binden kann. Die gewonnenen Erkenntnisse bestätigen unsere vorigen Vorstellungen, dass die Bindung von Substraten und Hemmstoffen zu OCT die Interaktion mit der relativ großen Oberfläche des Proteins vorsieht, die vermutlich nicht auf eine einzige Bindungsstelle beschränkt ist, sondern eher mehrere Bindungsdomäne.

The nicotinic acetylcholine receptor of skeletal muscle is one of the best-investigated synaptic proteins and often serves as model for the entire family of pentameric ligand gated ion channels (pLGICs). Receptors of this superfamily share a common architecture. After binding the agonist the characteristic C-loop structure closes around the ligand-binding site and triggers a wave of conformational changes that spread through the protein and finally result in the opening of the channel gate. As shown before, high-resolution single channel data can hardly be described by simple kinetic mechanisms (Parzefall et al., 1998, Hallermann et al., 2005). Recent advances in the field of kinetic modelling on receptor currents demonstrate that the introduction of additional short lived shut states in kinetic schemes enhances the quality of estimates of reaction rates. The additional shut states that immediately follow ligand bound states in the mechanism are suggested to resemble the closing movement of the C-loop (Lape et al., 2008; Mukhtasimova et al., 2009). It has not been described yet whether and how the structural differences of the 2 binding sites of the receptor influence the opening behaviour. To address this question, high-resolution single channel recordings, in combination with agonists that are known to exhibit different binding site selectivity, were performed. Thereby, a detailed description of the binding site dependent generation of channel currents is possible. At the embryonic mouse-muscle receptor used in this study the ligand binding sites are located at the α-γ and α-δ subunit interfaces. By allocation of opening characteristics to the α-δ and α-γ sites it is possible to show the binding site dependent activation of distinct kinetic states. Furthermore, it will be shown that the recently introduced short-lived shut states are sufficient to describe high-resolution single channel data. Finally an enhanced kinetic mechanism based on the ‘primed states’ model, published in 2009 by Mukhtasimova et al., will be presented. In this model the structurally diverse α-δ and α-γ binding sites elicit different kinetic channel characteristics. Thus the complex high-resolution kinetic characteristics of the embryonic receptor can be described coherently. / Der nicotinische Acetylcholin-Rezeptorkanal des Skelettmuskels zählt zu den bestuntersuchten synaptischen Proteinen und gilt als Modell für die Familie der Liganden gesteuerten pentameren Ionenkanäle. Rezeptoren dieser Großfamilie besitzen als charakteristisches strukturelles Merkmal ein Cystein-Schleifen-Motiv (C-loop), welches sich nach Bindung eines Agonisten um die Bindungstasche herum schließt und eine Kette weiterer Konformationsänderungen nach sich zieht. Wie in früheren Publikationen festgestellt wurde, ist es nur schwer möglich hochaufgelöste Messdaten mit konservativen kinetischen Modellen ausreichend zu beschreiben (Parzefall et al., 1998; Hallermann et al., 2005). Aktuelle Fortschritte auf dem Gebiet der kinetischen Modellierung von mechanistischen Rezeptormodellen auf Rezeptorströme, zeigen, dass die Einführung zusätzlicher kurzlebiger Geschlossenzustände in den kinetischen Mechanismen die Qualität der Voraussagen der Modelle verbessert. Diese zusätzlichen Geschlossenzustände, welche Zuständen mit gebundenen Agonisten des Rezeptormodells folgen, spiegeln höchstwahrscheinlich die Schließung des Cystein-Schleifen-Motivs wider (Lape et al., 2008; Mukhtasimova et al., 2009). Trotz der jüngsten Fortschritte wurde bisher nicht beschrieben, wie und ob die strukturellen Unterschiede der 2 vorhandenen Bindungsstellen sich auf die Charakteristika des Öffnungsverhaltens auswirken. Die Bindungsstellen für Agonisten befinden sich am embryonalen nicotinischen Acetylcholinrezeptor des Muskels der Maus an den Schnittstellen der α-δ und der α-γ Untereinheiten. Um der Frage des Einflusses der Bindungsstellendiversität auf den Grund zu gehen, wurden hochaufgelöste Einzelkanalmessungen unter der Verwendung von unterschiedlichen Agonisten, für die bekannt ist, dass sie unterschiedliche Selektivitäten zu den Bindungsstellen besitzen, durchgeführt. Hierdurch ist es möglich ein detailliertes Bild der bindungsstellenbedingten Auslösung definierter Öffnungscharakteristika zu beschreiben. Durch die Zuweisung der Öffnungscharakteristika zu den α-δ und α-γ Bindungsstellen gelingt es die bindungsstellenabhängige Aktivierung von einzelnen kinetischen Zuständen zu zeigen. Darüber hinaus werden direkte Anhaltspunkte dafür gezeigt, dass es möglich ist mit den angeführten kurzlebigen Geschlossenzuständen hochaufgelöste Einzelkanaldaten kinetisch hinreichend zu beschreiben. Schließlich wird ein erweiterter kinetischer Mechanismus vorgestellt, welcher auf dem ‚primed-states’ Modell, das 2009 von Mukhtasimova veröffentlicht wurde, basiert. Zusätzlich ist dieser in der Lage die komplexen kinetischen Charakteristika des embryonalen nicotinischen Rezeptorkanals, unter hoher zeitlicher Auflösung der Messdaten, zu beschreiben.

University, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

Universiẗat, Diss., 2001--Mainz. / Auch als gedr. Diss.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.