In dieser Arbeit wurde die Wirkung der ungesättigten Fettsäure Arachidonsäure, des Endocannabinoids Anandamid und des synthetischen Cannabinoid-Rezeptor-Agonisten WIN55,212-2 auf die Tandemporenkaliumkanäle TASK-1 und TASK-3 untersucht. Dazu wurden an Xenopus Oozyten, denen die entsprechende Kanal-RNA injiziert wurde, in der Zwei-Elektroden-Spannungsklemme elektrophysiologische Messungen durchgeführt. Zunächst wurden für alle drei Substanzen Dosis-Wirkungs-Beziehungen bestimmt. Diese führten zu folgenden Ergebnissen: • TASK-1 wird durch WIN55,212-2 um bis zu ca. 81% gehemmt. Die IC50 beträgt 0,83 µM. Anandamid besitzt eine IC50 von 1,92 µM und hemmt den Strom um bis zu ca. 71%. Bei WIN55,212-2 bzw. bei Anandamid liegt mit einem Hill-Koeffizienten (nH) von 1,65 bzw. von 1,42 positive Kooperativität vor. Arachidonsäure hingegen inhibiert den Strom nur um bis zu ca. 63%. Die IC50 beträgt 11,3 µM. Der Hill-Koeffizient von 0,9 ergibt negative Kooperativität. • TASK-3 wird durch alle drei Substanzen deutlich weniger inhibiert. Die maximale Inhibition durch WIN55,212-2 [10µM] beträgt 32,4% (± 9,7). Fünf µM Anandamid bzw. 80 µM Arachidonsäure verursachen eine Hemmung um 32,1% (± 5,4) bzw. um 20,3% (± 5,5). Bei beiden Kanalproteinen wurde außerdem untersucht, welche Bedeutung den Aminosäuren in Position 243-248, die bei TASK-1 und TASK-3 mit Ausnahme einer Aminosäure übereinstimmen, bei der Wirkung von Cannabinoiden zukommt. Dazu wurden Mutationsstudien im Bereich des C-Terminus von TASK-1 und TASK-3 durchgeführt. • Es wurden die sechs Aminosäuren in Position 243-248 aus TASK-1 bzw. TASK-3 entfernt (TASK-1 [243-248] bzw. TASK-3 [243-248]). Die inhibitorische Wirkung von WIN55,212-, Anandamid und Arachidonsäure war bei TASK-1 [243-248] deutlich vermindert, während es bei TASK-3 [243-248] zu unterschiedlichen Effekten kam. • Der gesamte C-Terminus des TASK-1 wurde entfernt, mit Ausnahme der sechs Aminosäuren in Position 243-248. Außerdem wurden die endständigen Aminosäuren RSSV an das Restprotein angefügt, da diese für einen gut funktionierenden Transport in die Membran notwendig sind (TASK-1 [249-390RSSV]. Die Wirkungen von WIN55,212-2, Anandamid und Arachidonsäure entsprachen bei dieser Mutante denen, die beim TASK-1 [Wildtyp] beobachtet wurden. • Durch Punktmutation wurde beim TASK-3 Leucin an Position 247 durch Methionin ersetzt (TASK-3 [L247M]. Diese Mutante besitzt dadurch in Position 243-248 das gleiche Sequenzmotiv wie der TASK-1. Im Vergleich zum TASK-3 [Wildtyp] waren die Wirkungen der Cannabinoide bei dieser Mutante jedoch unverändert. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die untersuchten Cannabinoide eine rezeptorunabhängige, spezifische und reversible inhibitorische Wirkung auf die Tandemporenkaliumkanäle TASK-1 und TASK-3 haben. Die Aminosäuren in Position 243-248 sind für diese Wirkung der Cannabinoide von wesentlicher Bedeutung. / Effects of the fatty acid arachidonic acid, the endocannabinoid anandamide and the synthetic cannbinoid receptor agonist WIN55,212-2 on the two-pore-domain potassium channles TASK-1 and TASK-3 were examined using the Xenopus oocyte expression system. Electrophysiological recordings have been performed with the two-electrode-voltage-clamp technique. At first dose-response relationships between the channel-proteins and the cannabinoids have been performed. All three substances had inhibitory effects on both channels. On TASK-1 WIN55,212-2 showed the strongest inhibition (ca. 81%), followed by anandamide (ca. 71%) and arachidonic acid (ca.63%). The inhibitory effects of all three substances on TASK-3 have been low. Furthermore the C terminus was targeted for mutation in order to examine the importance of the six-residue sequence at position 243-248. TASK-1 and TASK-3 contain nearly the same sequence at this position except only one amino acid. The first mutations performed were TASK-1 [243-248] and TASK-3 [243-248], both lacking the amino acids in position 243-248. The lack of this sequence reduced inhibitory effects of the cannabinoids on TASK-1 [243-248] nearly completely. On TASK-3 [243-248] various effects could be observed. Deletion of the whole C terminus of TASK-1 except the amino-acids in position 243-248 and the terminal motif RSSV, crucial for membrane trafficing (TASK-1 [249-390RSSV], lead to very similar inhibitory effects of the cannabinoids as on TASK-1 [wild-type]. The amino acid leucin of TASK-3 at position 247 has been changed to methionin (TASK-3 [L247M]) in order to construct a mutation of TASK-3 containing the same sequence as TASK-1. The effects of the examined cannabinoids on TASK-3 [L247M] did not differ from those on TASK-3 [wild-type]. These results suggest, that anandamide, arachidonic acid and WIN55,212-2 inhibit the two-pore-domain potassium channels TASK-1 and TASK-3 specific and reversible, independently of receptors. The six-residue sequence at position 243-248 has a basic impact.

Das Phloem stellt ein Netzwerk zur Assimilat- und Nährstofftranslokation sowie zur elektrischen Kommunikation innerhalb der Pflanze dar. In apoplastisch beladenden Pflanzen werden die funktionellen Eigenschaften des Phloems im Wesentlichen vom Zusammenspiel eines Transportmoduls, bestehend aus Carriern, Kaliumkanälen und Protonen-ATPasen, bestimmt. Ausgangspunkt für die biophysikalische Charakterisierung dieses Phloem-Transportmoduls waren Arbeiten zum Saccharosetransport in der Arabidopsis akt2/3-1 Mutante. Das AKT2/3 Gen kodiert für einen Phloem-spezifischen Kaliumkanal vom Shaker-Typ. Die Tatsache, dass der Saccharosegehalt im Phloem dieser Mutante um 50% im Vergleich zum Wildtyp reduziert war, ließ eine enge Kopplung von Kalium- und Zuckerflüssen vermuten. Um diesen Phänotyp aufklären zu können und ein Modell für die Beladungsprozesse an der Phloemmembran zu entwickeln, wurde das heterologe Expressionssystem der Xenopus Oozyten gewählt. So konnte in Coexpressionsstudien die Interaktion von Phloem-lokalisierten Kaliumkanälen und Transportern sowie die Kopplung des Kalium- und Zuckertransports mit Hilfe biophysikalischer Methoden untersucht werden. / In plants the phloem tissue constitutes a network providing for assimilate and nutrient translocation as well as electrical communication. A transport module, consisting of carriers, channels and pumps plays a pivotal role in apoplasmically loading plant species and determines the specific transport properties of phloem cells. The AKT2/3 channel represents a phloem-specific Shaker-like K+ channel of the model plant Arabidopsis thaliana. Based on the observation, that sucrose transport is severely impaired in the corresponding akt2/3-1 mutant, we hypothesised a tight coupling of potassium and sugar fluxes during phloem loading. In order to allow a biophysical characterisation of the transport processes at the phloem plasma membrane during sugar loading, we decided to employ Xenopus oocytes as a model system for the heterologous expression of phloem transport proteins.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.

Univ., Diss.--Kiel, 2005.

Tübingen, Univ., Diss., 2003.

Techn. Univ., Diss., 2005--Darmstadt

Das streng regulierte Gleichgewicht zwischen CO2-Aufnahme und Transpiration ist für Pflanzen essentiell und hängt von kontrollierten Turgoränderungen ab, die durch die Aktivität verschiedener Anionen- und Kationenkanäle verursacht werden. Diese Kanäle sind Teil von Signalkaskaden, die z. B. durch Phytohormone wie ABA (Abscisinsäure) und JA (Jasmonat) ausgelöst werden, die beide bei Trockenstress in den Schließzellen wirken. Darüber hinaus ist bekannt, dass JA an der Reaktion der Pflanze auf Pathogenbefall oder Verwundung beteiligt ist. GORK (guard cell outward rectifying K+ channel) ist der einzige bekannte, auswärts gleichrichtende K+-Kanal in Schließzellen und somit für den K+-Efflux beim Schließen der Stomata verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass GORK ein wesentlicher Bestandteil des JA-induzierten Stomatschlusses ist. Dies gilt für beide Auslöser, sowohl die Blattverwundung als auch die direkte Anwendung von JA. Patch-Clamp-Experimente an Protoplasten von Schließzellen untermauerten dieses Ergebnis, indem sie GORK-K+-Auswärtsströme als direktes Ziel von JA-Signalen entlarvten. Da bekannt ist, dass zytosolische Ca2+-Signale sowohl bei ABA- als auch bei JA-Signalen eine Rolle spielen, wurde die Interaktion von GORK mit Ca2+-abhängigen Kinasen untersucht. Eine antagonistische Regulation von GORK durch CIPK5-CBL1/9-Komplexe und ABI2 konnte durch DEVC (double electrode voltage clamp) sowie Protein-Protein-Interaktions-Experimente identifiziert und durch in-vitro Kinase-Assays untermauert werden. Patch-Clamp-Aufzeichnungen an Protoplasten von Schließzellen der cipk5-2 Funktions-Verlust-Mutante zeigten die Bedeutung von CIPK5 für den JA-induzierten Stomaschluss via Aktivierung von GORK. Die Interaktion verschiedener CDPKs (Ca2+-abhängige Proteinkinasen) mit GORK wurde ebenfalls untersucht. Neben der Ca2+-Signalübertragung ist auch die Produktion von ROS (reaktive Sauerstoffspezies) für die ABA- und MeJA-Signalübertragung von Bedeutung. In DEVC-Experimenten konnte ein reversibler Effekt von ROS auf die GORK-Kanalaktivität nachgewiesen werden, was ein Teil der Erklärung für diese ROS-Effekte bei ABA- und MeJA-Signalen sein könnte. / Maintaining the balance between CO2 uptake and transpiration is important for plants and depends on tightly controlled turgor changes caused by the activity of various anion and cation channels. These channels are part of signaling cascades triggered, for example, by phytohormones such as ABA (abscisic acid) and JA (jasmonate), both of which act during drought stress in guard cells. In addition, JA is known to be involved in the plant's response to pathogen attack or wounding. GORK (guard cell outward rectifying K+ channel) is the only known outward rectifying K+ channel in guard cells and therefore responsible for K+ efflux during stomatal closure. In the course of this work it could be demonstrated by stomatal aperture assays, that GORK is an essential part of JA-induced stomatal closure. This is true for both triggers, leaf wounding as well as direct MeJA (methyl jasmonate) application. Patch clamp experiments on guard cell protoplasts backed this finding by revealing GORK K+ outward currents as a target of JA signaling in guard cells. As cytosolic Ca2+ signals are known to be involved in both ABA as well as JA signaling, the interaction of GORK with Ca2+-dependent kinases was examined consequently. An antagonistic regulation of GORK by CIPK5-CBL1/9 complexes and ABI2 was identified by DEVC (double electrode voltage clamp) and protein-protein interaction experiments and backed up by in vitro kinase assays. Patch-clamp recordings on guard cell protoplasts of cipk5-2 kinase loss-of-function mutant revealed the importance of CIPK5 for JA-triggered stomatal closure via activation of GORK. The interaction of different CDPKs (Ca2+-dependent protein kinases) with GORK was also investigated. Besides Ca2+ signaling also ROS (reactive oxygen species) production is essential in ABA and MeJA signaling. In DEVC experiments a reversible effect of ROS on GORK channel activity could be demonstrated, which could be one piece in the explanation of those ROS effects in ABA and MeJA signaling.

Ziel der Arbeit war die Erstellung eines „Kaliumkanal-Chips“, die Entwicklung einer geeigneten Messmethode und Auswertungsstrategie, die Durchführung von Testmessungen und die Untersuchung eines Knockout-Mausstammes auf den Genexpressionsstatus und die auftretenden Kompensationsmechanismen. Am Beginn der Arbeit stand vor allem die Auswahl der zu untersuchenden Kaliumkanal-Gene und die Sammlung von Sequenz-Informationen. Ausgehend davon konnte die cDNAMicroarray-Technologie als Methode der Wahl bestimmt werden und die entsprechenden Vorbereitungen für die Umsetzung getroffen werden. Die ersten Messungen im Zuge der Methodenentwicklungen zeigten vor allem, dass jeder Microarray seine individuellen Probleme mit sich bringt, ließen jedoch auch schon erahnen, welche umfangreichen Möglichkeiten diese Technologie bietet. Dann folgten Versuchsmessreihen, wie die Untersuchung der lterspezifischen Expression und der Vergleich von bestimmten Gehirnabschnitten mit dem Gesamtgehirn. Den Abschluss bildete die Messung der TRESK-Knockout-Mauslinie im Vergleich zu ihrem Wildtyp. Hier stand die Frage nach möglichen Kompensationsmechanismen im Vordergrund. Mit kcnk16 haben die Messungen einen interessanten Kandidaten aus der gleichen Genfamilie geliefert, dessen Funktion und Kompensationsvermögen nun in weiteren Tests zu untersuchen ist. Die Arbeit hat gezeigt, dass der Einsatz der Microarray-Technologie zur Untersuchung von Genexpressionsdaten bei Ionenkanalfamilien geeignet ist. Das Fundament der Microarrayanalyse von Kaliumkanälen mit einem individuell entwickelten Microarray ist zum einen das Wissen um Genetik und Funktion der Kaliumkanäle und zum anderen die Technologie, die eine solche Analyse möglich macht. Die Tatsache, dass Säugerorganismen wie Maus und Mensch eine solch hohe Zahl an Kaliumkanälen entwickelt haben und im ständigen Zellstoffwechsel in umfassender Form einsetzen, zeigt die Bedeutung dieser Ionenkanalfamilie und macht die Forschung an diesen Kanälen so interessant und wichtig für die medizinische Grundlagenforschung. Eine Vielzahl von Krankheiten kann schon jetzt direkt oder indirekt auf Gendefekte bei Kaliumkanal-Genen zurückgeführt werden. Mit der Microarray-Analyse steht nun eine Technologie zu Verfügung, die es ermöglicht, die Expression dieser Gene direkt zu untersuchen und mögliche Kompensationsvorgänge aufzudecken. Damit können Zusammenhänge ermittelt werden, die die Grundlage für weitere Forschungen sein können, mit deren Hilfe wir Krankheiten wie Depression eines Tages wirklich verstehen und behandeln können. / The aims of this dissertation were the creation of a „potassium channel chip“, the development of adequate measurement method and strategy of analysis, the performance of developmental experiments and the analysis of the status of genexpression and the occurring mechanisms of compensation in a knockout mouse stem. In beginning the selection of the potassium channel genes to be considered as interesting part of the microarray and the compilation of the sequence information was the main part of the work. Starting from this the choice of the adequate cDNA-microarray-technology and the preparation of the implementation was possible. The first experiments performed in the course of the method development have given a hint on the problems connected with every microarray. However they also have shown the great possibilities of the microarray technology. In the ollowing series of measurements like the investigation of variation of expression during the juvenile development and the comparison of different parts of the brain with the whole brain were performed. The studies were completed by the investigation of the TRESK-Knockout mouse stem in comparison to its wild type. The centre of these studies was the question for possible mechanisms of compensation. As a result kcnk16 - being part of the same gene family as TRESK - can be named as an interesting candidate to be investigated for its function and capacity of compensation in the future. In my dissertation I was able to show that the microarray technology is an adequate method for the comparison of genexpression between members of ion channel families. The bases of the microarray analysis of potassium channels with a individually designed microarray are on the one side the knowledge of the genetics and function of the potassium channels and on the other side the technology which allows this kind of analysis. The fact that mammalian organism like mouse and human have developed such a great number of potassium channels and are using these in the regular cell metabolism in a comprehensive way shows the importance of this ion channel family and makes the research on these channels so interesting and important for fundamental research. A multiplicity of diseases can be attributed indirectly or directly to gene malfunctions in potassium channels. With microarray a technology is available, which permits to investigate the expression of these genes directly and to discover possible ways of compensation. By this coherences can be identified being the basis for continuative research which one day will make it possible to really understand and treat diseases like depression.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.