Konsequenzen für Physiologie und Pathophysiologie nach Deletion der Kaliumkanal-Untereinheiten KCNE2 und KCNE3

Abstract

KCNEs sind 1x membrandurchspannende Kv-Kanal-β-Untereinheiten, die heteromere Membrankomplexe mit Kv-Kanal-α-Untereinheiten bilden und deren Funktion maßgeblich verändern. Sporadische Mutationen und häufige Polymorphismen in KCNE-Genen sind mit dem Auftreten von angeborenen und erworbenen Long QT Syndrom (LQTS) assoziiert. Unser Wissen über die genauen Mechanismen, die zur Entstehung dieser KCNE-assoziierten Herzrhythmusstörungen führen ist jedoch limitiert. Zudem mehren sich in der letzten Zeit Berichte über weitere Erkrankungen (Adenokarzinom des Magens, Epilepsie, Vorhofflimmern, Schizophrenie etc.), welche mit Mutationen in KCNE-Genen assoziiert sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der molekularen Pathogenese KCNE-bedingter Herzrhythmusstörungen und anderer KCNE assoziierter Erkrankungen. Hierzu generierten wir KCNE2-/-- und KCNE3-/--Mäuse und untersuchten diese mit Hilfe anatomischer, biochemischer, echokardiographischer, elektrophysiologischer und nuklearmedizinischer Methoden. Auf diese Weise konnten wir erstmalig zeigen, dass KCNE2 eine essentielle Rolle bei der Magensäureproduktion spielt. Wir konnten nachweisen, dass KCNE2 in den Parietalzellen der Magenschleimhaut einen funktionsfähigen, konstitutiv aktiven K+-‚leak’-Kanal mit der Kv-α-Untereinheit KCNQ1 bildet. Dieser Kv-Kanalkomplex ist notwendig, um K+-Ionen über die apikale PC-Membran zu rezirkulieren, um so den notwendigen Kalium-Gradienten für die Funktion der apikalen H+-K+-ATPase, dem Schlüsselenzym der Magensäuresekretion, aufrecht zu erhalten. Wir konnten weiter zeigen, dass die Deletion von KCNE2 zu einer Änderung der Polarität von KCNQ1 in PC führt. In KCNE2-/--Mäusen findet sich eine Expression des KCNQ1-Kanals an der basolateralen Membran der Parietalzelle - ein subzelluläres Kompartiment von dem aus die apikale K+-Rezirkulation nicht aufrechterhalten werden kann. Weitere Untersuchungen des Magenphänotyps an den KCNE2-/--Mäusen zeigten, dass die Deletion von KCNE2 bei älteren Tieren (12-15 Monate) zu einer prä-neoplastischen Pathologie führt, der Gastritis Cystica Profunda. Eine Analyse von humanem Magenadenokarzinomgewebe zeigte darüber hinaus eine deutlich reduzierte Expression von KCNE2, so dass zusammenfassend eine KCNE2-Herabregulierung oder die genetische Ausschaltung von KCNE2 als Risikofaktor für das Entstehen einer neoplastischen Magenschleimhaut angesehen werden muss. KCNE2-/-- Mäuse leiden zudem an einem ventrikulären Repolarisationsdefekt des Myokards. Dieser manifestiert sich in Form einer verlängerten ventrikulären Aktionspotentialdauer. Zusätzlich kommt es unter Anästhesie mit dem QT-Zeit verlängernden Anästhetikum Sevofluran zu einer signifikanten Verlängerung der QTC des Oberflächen EKGs in KCNE2-/--Mäusen. Molekulares Korrelat dieser Repolarisationsstörung ist eine signifikante Verminderung der Repolarisationsströme Ito,f, welcher durch die KCNE2 Deletion um 25% verringert wird und IK,slow1, welcher um 50% verringert ist. Wir konnten weiter zeigen, dass die Deletion von KCNE2 das korrekte trafficking des Kv1.5-Kanalproteins zum discus intercalaris verhindert. Mit einer weiteren Arbeit konnten wir erstmalig eine genetische Verbindung zwischen einer gestörten K+-Kanal-Funktion des KCNQ1-KCNE2-Kanalkomplexes in Schilddrüsengewebe und verschiedenen strukturellen Veränderungen des Herzens sowie anderer Organsysteme nachweisen. Neugeborene KCNE2-/--Mäuse von KCNE2-/--Müttern weisen im Gegensatz zu KCNE2-/--Mäusen von KCNE2+/--Müttern einen ausgeprägten Hypothyreose-Phänotypen auf, bestehend aus Hyposomie, Alopezie, 50%-iger embryonaler Letalität, Struma und kardialen Veränderungen. Wir konnten zudem supprimierte periphere Schilddrüsenhormone und ein kompensatorisch erhöhtes TSH in den KCNE2-/--Tieren nachweisen. Schilddrüsenszintigraphisch ließ sich mittels radiaktiv-markierten Jods eine signifikant verminderte Akkumulation von 124I in Schilddrüsengewebe von KCNE2-/--Neugeborenen und von KCNE2-/--Müttern nachweisen, welches für die Entstehung der Hypothyreose verantwortlich erscheint. Eine Substitution der betroffenen Mäuse mit Schilddrüsenhormonen (T3 und T4) führte zu einer Restitutio der genannten Pathologien der hypothyreoten Mäuse. Eine thyreoidale Genese der KCNE2 – und KCNQ1 - assoziierten Herzrhythmusstörungen ist somit bei betroffenen Patienten zu berücksichtigen.

KCNE genes encode a family of single transmembrane domain proteins that function as ancillary or beta subunits of Kv channel alpha subunits. Sporadic mutations and common polymorphisms in KCNEs have been associated with the congenital and acquired long QT Syndrome (LQTS) but also other diseases such as atrial fibrillation, epilepsy, schizophrenia and gastric adenocarcimona. Apart from the association to human diseases relatively little is known about the molecular pathology that leads to KCNE associated diseases. In order to gain further insides on the precise molecular mechanisms underlying the above mentioned diseases and on how KCNEs modulate Kv channel alpha subunits in vivo we generated KCNE knockout mice and analyzed their phenotypes by using echocardiographic, electrophysiological, biochemical, and nuclear imaging techniques. Our results demonstrate that KCNE2 plays an essential role in gastric acid secretion. KCNE2 deletion leads to achlorhydria, hypergastrinemia, and striking gastric glandular hyperplasia in KCNE2-/- animals. Molecular correlate for this striking phenotype is a trafficking defect of the KCNQ1 Kv channel alpha subunit (a partner for KCNE2 in gastric parietal cells) in parietal cells from KCNE2-/- mice. Normally, heteromeric KCNE2/KCNQ1 Kv channels are located on the apical compartment of PC where they provide a potassium recycling current to support physiological function the H+-K+-ATPase – the key enzyme for gastric acid secretion. KCNE2 deletion, however, causes a miss trafficking of KCNQ1 channels to the basolateral compartment of PC where they cannot provide apical K+ ion recycling. KCNE2 downregulation has been described in patients with gastric adenocarcinoma and further analyses of the stomach pathology in aged KCNE2-/- mice revealed that aged KCNE2-/- mice also suffer from Gastritis Cystica Profunda – a preneoplastic lesion progressing to gastric cancer in human patients and animal models. The cardiac phenotype of KCNE2-/- mice was also investigated. Here, we observed a repolarization defect characterized by a prolonged action potential duration and a prolonged QTc under Sevoflurane anesthesia on the body surface ECG in KCNE2-/- mice. The repolarization defect is due to a significant downregulation of two distinct cardiac repolarization K+ currents. KCNE2 deletion reduces Ito,f which is generated by Kv4.2 by 25% and IKslow,1 which is generated by Kv1.5 by 50%. KCNE2 deletion also leads to a trafficking defect of Kv1.5 channels which are usually located at the intercalated disc in wildtype cardiomyocytes. Finally we were able to show that the potassium channel subunits KCNQ1 and KCNE2 also form a thyroid-stimulating hormone- stimulated, constitutively active, thyrocyte K+ channel required for normal thyroid hormone biosynthesis. Targeted disruption of KCNE2 in mice impaired thyroid iodide accumulation up to eightfold, impaired maternal milk ejection, halved milk tetraiodothyronine (T4) content and halved litter size. KCNE2-deficient mice had hypothyroidism, dwarfism, alopecia, goiter and cardiac abnormalities including hypertrophy, fibrosis, and reduced fractional shortening. The alopecia, dwarfism and cardiac abnormalities were alleviated by triiodothyronine (T3) and T4 administration to pups, by supplementing dams with T(4) before and after they gave birth or by feeding the pups exclusively from KCNE2+/+ dams; conversely, these symptoms were elicited in KCNE2+/+ pups by feeding exclusively from KCNE2-/- dams. Our data provide a new potential therapeutic target for thyroid, stomach and cardiac disorders and raise the possibility of an endocrine component to previously identified KCNE2- and KCNQ1-linked human cardiac arrhythmias.