DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Investigation of the domain assembly in ligand-gated and voltage-gated ion channels using computational methods

Humpert, Guido

Ionenkanäle sind essentiell für die Erzeugung und Weiterleitung von elektrischen Signalen im menschlichen Organismus. Sie befinden sich hauptsächling in der Zellmembran von Nerven und Muskelzellen, in denen sie spezifische Aufgaben übernehmen und daher spezielle Eigenschaften entwickelt haben, die diesen Ansprüchen entsprechen. Die Konsequenz daraus ist eine Diversifizierung der Ionenkanal Strukturen, die Aufgrund ihrer Eigenschaften wie z.B. die Ionenselektivität oder die Art der Aktivierung, in Klassen und Familien eingeteilt werden können. Die zentrale Rolle der Ionenkanäle birgt wiederum das Risiko ernsthafter Störungen im Organismus, sobald Fehlfunktionen der Kanäle auftreten. Um dem entgegenwirken zu können, wird intensiv an der strukturellen Aufklärung der Ionenkanäle geforscht. Dies ist mit sehr großen Herausforderungen verbunden und bisher sind nur wenige Ionenkanal Strukturen bekannt. In dieser Promotionsarbeit wurde die korrekte Anordnung von Ionenkanal Domänen zu einem vollständigen Kanal untersucht, und darüber hinaus die Interaktion zwischen transmembranen Helices innerhalb einer Domäne an einem entsprechenden Beispiel untersucht. Es werden Verfahren beschrieben, die zum einen computerbasierte Modelle von Ionenkanälen auf Basis verschiedenster Informationen erzeugen und zum anderen Rückschlüsse auf etwaige Eigenschaften und Funktionen aus den Modellen ableiten können. Am Beispiel des 5-HT3A Rezeptors wurde die Assoziation der 4 transmembranen Helices zu einer Domäne analysiert. Als Basis dienten Ergebnisse aus Mutagenese Experimenten, womit einzelne, für die Funktion und Stabilität des Kanals wichtige, Residuen identifiziert wurden und als Kriterien für die Erstellung eines Modells genutzt werden konnten. Mit dem Modell wurden in der Folge Molekulardynamik Simulationen und Berechnungen der Bindungsenergien einzelner Residuen durchgeführt, um den Energiebeitrag der einzelnen Aminosäuren zur Assoziation der Helices zu bestimmen und mit den experimentellen Beobachtungen in Relation zu setzen. Die in der Zwischenzeit publizierte 5-HT3A Struktur diente abschließend zur Verifizierung der Ergebnisse. Die Fragestellung beim heterotetrameren Nav1.8 Kanal war, welche Anordnung die 4 untereinander verbundenen Domänen einnehmen, um einen funktionierenden Kanal zu bilden. Neben den in der Literatur diskutierten Varianten, gegen und im Uhrzeigersinn, wurden auch Modelle mit 4 weiteren theoretisch möglichen Varianten mit kreuzweiser Domänenanordnung erzeugt und untersucht. Neben Molekulardynamik Simulationen und Energieberechnungen der Domänen Interfaces, wurde auch die sequenzbasierte Direct Coupling Analyse (DCA) verwendet, wodurch evolutionär miteinander gekoppelte Residuen identifiziert werden können. Mit der Kombination der verschiedenen Ansätze konnte eine klare Tendenz zu einer Anordnung der Domänen im Uhrzeigersinn erkannt werden, die im Einklang mit einer kürzlich veröffentlichten Kalziumkanal Struktur steht.

Share and cite

Citation style:

Humpert, Guido: Investigation of the domain assembly in ligand-gated and voltage-gated ion channels using computational methods. 2017.

Rights

Use and reproduction:

Export