Bindung und Wirkung von Modulatoren der ATP-empfindlichen Kaliumkanäle

Abstract

1ATP-sensitive K+-Kanäle (KATP-Kanäle) sind Heterooktamere aus vier porenbildenden Untereinheiten Kir (2 Subtypen: Kir6.1 und Kir6.2) und vier regulatorischen Untereinheiten SUR (2 Subtypen: SUR1 und SUR2 mit zwei Hauptspleißvarianten 2A und 2B). Sie kommen, unterschiedlich zusammensetzt, in vielen Geweben (z. B. Kir6.2/SUR1 in beta-Zellen des Pankreas, Kir6.2/SUR2A im Myokard, Kir6.1/SUR2B im glatten Gefäßmuskel) vor und regulieren dort wichtige physiologische Funktionen. Sie sind Zielstrukturen für pharmakologische Modulatoren wie die Kanal-Blocker (Sulfonylharnstoffe und Glinide) und Öffner (z.B. Bimakalim).

In dieser Arbeit wurden folgende Schwerpunkte bearbeitet: Die Selektivität von Sulfonylharnstoffen (SU) und Gliniden in Bindung und Wirkung für die drei wichtigsten KATP-Kanalsubtypen Kir6.2/SUR1 (Pankreas), Kir6.2/SUR2A (Myokard) und Kir6.1/SUR2B (Gefäß) Der Einfluss der Koexpression mit Kir6.x auf die Bindung von SU und Gliniden an SUR1 Der Einfluss der Mutation Y1206S und der Koexpression mit Kir6.x auf den Sulfonylharnstoffrezeptor SUR2A Der Zugang der KATP-Kanal-Öffner vom Benzopyrantyp an ihre Bindungsstelle

Die Affinität ausgewählter SU und Glinide zu den rekombinanten Kir6.2/SUR1- und Kir6.2/SUR2A-Kanälen wurde mittels Verdrängung des 3H-Glibenclamids (3H-GBC) an intakten HEK-Zellen bei 37ºC bestimmt. Dabei wurden keine nennenswerten Unterschiede in der Selektivität zwischen den reinen A-Liganden (kurzkettiger SU Glibornurid und das D-Phenylalanin-Derivat Nateglinid) und den A+B-Liganden (langkettige SU: GBC, Glimepirid) beobachtet. Beide Ligandklassen banden ~19-fach stärker an den pankreatischen als an den kardialen Kanal. Repaglinid, AZ-DF265, Meglitinid und UL-DF9 (reine B-Liganden) zeigten nur eine stark reduzierte Pankreas- (Repaglinid, AZ-DF265) oder gar eine leichte Herz-Selektivität (Meglitinid, UL-DF9). Die Wirkung von Repaglinid und GBC auf die KATP-Kanäle des Pankreas, Myokards und Gefäßes wurde in der Ganzzellkonfiguration der Saugelektrodentechnik bei 37ºC untersucht. Der pankreatische Kanal wurde von Repaglinid >=30- und von GBC >=1000-fach potenter gehemmt als die kardiovaskulären Kanäle. Darüber hinaus wurde der myokardiale Kanal von beiden Substanzen nur unvollständig geschlossen. Die Umsetzung der Bindung in die Kanalschließung vollzog sich am leichtesten am pankreatischen Kanal. Die hier vorgestellte Pankreas-Selektivität von GBC und Repaglinid spricht für deren therapeutische Sicherheit, die jedoch nur in geeigneten klinischen Studien endgültig belegt werden kann.

Die Untersuchung des Einflusses der Kanalkomplexbildung zwischen Kir6.x und SUR auf die Bindung von SU und Gliniden zeigte, dass Koexpression mit Kir6.x die Affinität von Repaglinid und AZ-DF265 zum pankreatischen SUR (SUR1) sehr stark (>100-fach), die der restlichen Kanal-Blocker dagegen nur gering (<5-fach) erhöhte. Dieses Verhalten beruht auf der Piperidino-Gruppe und trägt entscheidend zur Pankreas-Selektivität der beiden B-Liganden bei. Ferner ist ein intakter N-Terminus des Kir für diesen Koexpressionseffekt essentiell.

Die Bindungseigenschaften des kardialen SUR2A wurden in dieser Arbeit als weiterer Schwerpunkt untersucht. Besonderes Interesse galt dabei dem Einfluss der SUR2A-Mutation Y1206S (bei der Y1206 durch S ersetzt ist, die entsprechende Aminosäure im SUR1) und der Koexpression mit Kir6.x auf die Modulator-Bindung. Am vollständigen Herzkanal exprimiert in intakten HEK-Zellen verbesserte die Y1206S-Mutation die Bindung der A- und A+B-Liganden ~13-fach. Die B-Liganden Meglitinid und UL-DF9 verloren leicht an Bindungsstärke. Die Koexpression mit Kir6.2 erhöhte die Affinität aller untersuchten SU und Glinide, am stärksten die von AZ-DF265 und Repaglinid. Die Sonderstellung der Piperidino-Glinide fiel hier jedoch geringer aus als am SUR1. Die Affinität des KATP-Kanal-Öffners P1075 zum SUR2A wurde durch die Mutation Y1206S und die Koexpression mit Kir6.2 nicht verändert bzw. geringfügig reduziert. Die negativ allosterische Kopplung der GBC- und P1075-Bindungsstellen am SUR2 wurde sowohl durch die Y1206S-Mutation, als auch durch die Koexpression mit Kir6.2 wesentlich verändert.

Im letzten Teil wurde untersucht, ob die KATP-Kanalöffner von der intra- oder extrazellulären Seite her an Kir6.2/SUR2B (KATP-Kanal der glatten nicht vaskulären Muskulatur) binden. Dazu wurden Bindung und Wirkung von zwei Benzopyranen, der negativ geladenen, schlecht membrangängigen Bimakalimsulfonsäure (BMSA) und der ungeladenen Muttersubstanz Bimakalim verglichen. Während Bimakalim den Radioliganden 3H-P1075 in Membran- und Ganzzellversuchen mit ähnlicher Affinität verdrängte (Ki = 61 bzw. 35 nM), band BMSA nur in Membranen, nicht aber in intakten Zellen mit hoher Affinität (4,3 vs. 186 µM). Ferner aktivierte Bimakalim den Kanal in allen verwendeten Patch-clamp-Konfigurationen (whole-cell inside-out, cell-attached), BMSA hingegen nur nach Applikation auf die zytoplasmatische Seite der Zellmembran in Inside-out-Patch. Dies zeigt, dass KATP-Kanal-Öffner vom Benzopyrantyp ihre Bindungsregion am SUR vom Zytosol aus erreichen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit tragen zur Aufklärung der Struktur-Bindungs- und Struktur-Wirkungs-Beziehungen von KATP-Kanal-Modulatoren bei. Vor allem die Erkenntnisse über die Selektivität der untersuchten SU und Glinide haben auch klinische Relevanz.

1ATP-sensitive K+-channels (KATP channels) are heterooctamers composed of four poreforming subunits Kir (2 subtypes, Kir6.1 and Kir6.2) and four regulatory subunits SUR (2 subtypes, SUR1 and SUR2 with two splice-variants 2A and 2B). In different subunit-composition they are present in various tissues (e.g. Kir6.2/SUR1 in pancreatic beta-cells, Kir6.2/SUR2A in cardiac myocytes, Kir6.1/SUR2B in vascular smooth muscle cells) and regulate important physiological functions. They are also targets of synthetic drugs such as the sulfonylureas (SUs) and glinides (collectively termed insulinotropes) which close those channels and the channel openers (e.g. bimakalim).

In this work four main issues were investigated: Selectivity of selected insulinotropes in binding to and closing of the pancreatic as compared to the cardiovascular KATP channels. Effect of coexpression with Kir6.x on the binding affinity of insulinotropes for the pancreatic SUR (SUR1). Impact of the mutation Y1206S and of coexpression with Kir6.x on the binding properties of the cardiac SUR (SUR2A). Access of benzopyran-type KATP openers to their binding site on the non-vascular smooth muscle KATP channel Kir6.2/SUR2B.

In order to assess the binding selectivity of insulinotropes, 3H-glibenclamide (3H-GBC) binding compe­tition experiments were conducted in intact HEK cells expressing the pancreatic or the cardiac channel at 37ºC. There was no difference in selectivity between A-ligands (short chain SU glibornuride and nateglinide, a D-phenylalanine derivative) and A+B-ligands (long chain SUs: glibenclamide, glimepiride). Both ligand classes bound with ~19x higher affinity to the pancreatic than to the myocardial channel. The B-ligands, repaglinide, AZ-DF265, meglitinide and UL-DF9 showed either a strongly reduced selectivity for the pancreatic channel (repaglinide, AZ-DF265), or a slight cardioselectivity (meglitinide, UL-DF9). The effects of repaglinide and glibenclamide on the pancreatic, myocardial and vascular KATP channels were investigated in the whole-cell-configuration of the patch-clamp-technique at 37ºC. Repaglinide and glibenclamide were >=30 and >=1000 times more potent in closing the pancreatic than the cardiovascular channels, respectively, and they did not induce complete inhibition of the myocardial channel. The transduction of inhibitor binding into channel closure was easiest for the Kir6.2/SUR1 channel. The selectivity of repaglinide and glibenclamide shown here supports their therapeutical safety. However, these conclusions must be confirmed in appropriate clinical studies.

Investigating the effects of coexpression with Kir6.x on the affinity of insulinotropes binding to SURx we found that this greatly (>100x) enhanced the affinity of repaglinide and AZ-DF265 for SUR1, whereas the effect was small for other SUs and glinides (<5x). This behaviour depended on the piperidino-substituent, and it makes a major contribution to the selectivity of repaglinide and AZ-DF265 for the pancreatic over the cardiovascular KATP channels. In addition, the effect of coexpression was shown to critically depend on the intact Kir6.2 N-terminus.

In the third point, the impact of the mutation Y1206S in SUR2A (i.e. the replacement of Y1206 by S, the corresponding amino acid in SUR1) and of coexpression with Kir6.x on SUR2A was examined. In intact HEK cells expressing the complete Kir6.2/SUR2A channel, the mutation Y1206S increased the affinity of A- and A+B-ligands ~13x but decreased that of the B-ligands meglitinide and UL-DF 3.5- and 7.1-fold, respectively. Coexpression with Kir6.2 increased the affinity of SUR2A for all insulinotropes. The effect was particularly marked for AZ-DF265 und repaglinide, however to a lesser degree than with SUR1. The mutation Y1206S did not affect the binding of KATP channel openers to SUR2A; coexpression with Kir6.2 reduced opener affinity of wild-type and mutant SUR2A only marginally. In addition, the negative allosteric interactions between GBC- and P1075-binding sites were modified by both mutation Y1206S and coexpression with Kir6.2.

Finally, it was investigated whether benzopyran openers approach their binding site on the Kir6.2/SUR2B channel from the extra- or the intracellular side of the cell membrane. To this end, binding and effect of BMSA, a poorly membrane permeant sulfonic acid derivative of bimakalim and of the cell-permeant mother compound were compared in different configurations. Bimakalim exhibited high affinity binding to the channel in both membranes and intact cells (Ki = 61 and 35 nM, respectively) whereas BMSA binding was much weaker in cells (Ki = 186 µM) than in membranes (Ki = 4,3 µM). In inside-out-patches, bimakalim and BMSA opened the Kir6.2/SUR2B channel to a similar degree whereas in the whole-cell configuration, only bimakalim was effective. This behaviour suggests that benzopyran-type KATP channel openers reach their binding site from the cytosol.

Overall, these studies improve our understanding of the structure-response and structure-binding relationships of the KATP channel modulators. The conclusions on the subtype selectivity of repaglinide and GBC are of clinical importance.