HCN-Kanäle (aus dem Englischen: hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel) stellen eine kleine Unterfamilie der Proteingruppe der Ionenkanäle dar. Sie sind eine Untergruppe der zyklonukleotid-regulierten Kationenkanäle, die ihrerseits zur Familie der Porenschleifen-Kationenkanäle gehören.F. H. Yu, V. Yarov-Yarovoy, G. A. Gutman, W. A. Catterall: Overview of molecular relationships in the voltage-gated ion channel superfamily. In: Pharmacological reviews. Band 57, Nummer 4, Dezember 2005, S. 387–395, . doi:10.1124/pr.57.4.13. PMID 16382097. (Review).
Derzeit sind im menschlichen Genom vier Isoformen von HCN-Kanälen bekannt (die Paralogen HCN1 bis HCN4), die hauptsächlich in Herz und Gehirn exprimiert werden. Der von HCN-Kanälen getragene Strom wird in vielen Fällen auch als ‚Schrittmacher-Strom‘ bezeichnet, da er an der Kontrolle des Herzrhythmus beteiligt ist und in spontan aktiven Nervenzellen rhythmische Aktivität fördert. Er wird entweder als Ih (für engl. hyperpolarization) oder If (für engl. funny) bezeichnet. Letztere Bezeichnung ist auf die ungewöhnlichen oder seltsamen (= funny) Eigenschaften des Kanals, wie etwa die Aktivierung durch Hyperpolarisierung anstelle der üblicheren Depolarisierung, zurückführen.H. Peter Larson: How is the heart rate regulated in the sinoatrial node? Another piece to the puzzle. In: JGP. 136(3), 2010, S. 237–241, doi:10.1085/jgp.201010506. (Volltext)
Topologie von HCN-Kanälen Der generelle Aufbau eines HCN-Kanalkomplexes ist stets gleich: Der Komplex wird durch Aneinanderlagern von vier einzelnen HCN-Proteinen (Untereinheiten) gebildet, welche in vivo vier verschiedene Homotetramere bilden, die sich in ihren biophysikalischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Untereinheiten bilden aneinander gelagert eine zentrale Pore, die den Durchtritt von Ionen ermöglicht. Jede Untereinheit besteht aus drei wichtigen Strukturen: dem zytosolischen N-Terminus, dem zytosolischen C-Terminus mit der Zyklonukleotidbindedomäne und die Transmembrandomäne, welche die Pore beinhaltet und mechanistisch an der Kanalöffnung beteiligt ist (siehe Abbildung).
mini|hochkant=2|Struktur eines HCN-Kanal-Proteins, abgebildet ist eine Untereinheit mit sechs Transmembrandomänen und dem intrazellulären C-Terminus. Das S4-Segment enthält den Spannungssensor. Bekannte pathophysiologisch relevante Mutationen werden mit roten Punkten und der betroffenen Aminosäure dargestellt. (modifiziert nachM. Biel, C. Wahl-Schott, S. Michalakis, X. Zong: Hyperpolarization-activated cation channels: from genes to function. In: Physiological reviews. Band 89, Nummer 3, Juli 2009, S. 847–885. PMID 19584315.).
Zyklonukleotidbindedomäne Die Zyklonukleotidbindedomäne (CNBD, cyclic nucleotide binding domain) hat einen modulierenden Effekt auf die Kanalöffnung, abhängig davon, ob cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) gebunden ist oder nicht.C. Wahl-Schott, M. Biel: HCN channels: structure, cellular regulation and physiological function. In: Cellular and molecular life sciences : CMLS. Band 66, Nummer 3, Februar 2009, S. 470–494, . doi:10.1007/s00018-008-8525-0. PMID 18953682. (Review). Sie ist über den sogenannten C-Linker mit der Transmembrandomäne verbunden. Es gibt bereits Kristallstrukturen, die CNBDs mit gebundenem cAMP zeigen.W. N. Zagotta, N. B. Olivier, K. D. Black, E. C. Young, R. Olson, E. Gouaux: Structural basis for modulation and agonist specificity of HCN pacemaker channels. In: Nature. Band 425, Nummer 6954, September 2003, S. 200–205, . doi:10.1038/nature01922. PMID 12968185. Die Tasche, in der das cAMP bindet, besitzt sieben Aminosäurereste, die mit dem Liganden interagieren.L. Zhou, S. A. Siegelbaum: Gating of HCN channels by cyclic nucleotides: residue contacts that underlie ligand binding, selectivity, and efficacy. In: Structure (London, England : 1993). Band 15, Nummer 6, Juni 2007, S. 655–670, . doi:10.1016/j.str.2007.04.012. PMID 17562313. . Diese Aminosäurereste weisen unterschiedliche Aufgaben auf. So vermittelt der Rest R632 die Wirksamkeit einer cAMP-Bindung auf die Kanalöffnung.
Die Bindung von cAMP an den Kanal führt zu einer verstärkten Kanalaktivität, da durch die geringe Konformationsänderung bei der Bindung eine anhaltende Hemmung (tonische Inhibition) aufgehoben wird.B. J. Wainger, M. DeGennaro, B. Santoro, S. A. Siegelbaum, G. R. Tibbs: Molecular mechanism of cAMP modulation of HCN pacemaker channels. In: Nature. Band 411, Nummer 6839, Juni 2001, S. 805–810, . doi:10.1038/35081088. PMID 11459060.J. Wang, S. Chen, S. A. Siegelbaum: Regulation of hyperpolarization-activated HCN channel gating and cAMP modulation due to interactions of COOH terminus and core transmembrane regions. In: The Journal of General Physiology. Band 118, 2001, S. 237–250. PMID 11524455. .
Nach einem ModellK. B. Craven, W. N. Zagotta: CNG and HCN channels: two peas, one pod. In: Annual review of physiology. Band 68, 2006, S. 375–401, . doi:10.1146/annurev.physiol.68.040104.134728. PMID 16460277. (Review). wirkt der in Abwesenheit von cAMP kompakte C-Linker inhibitorisch auf die Kanalöffnung. Bindet cAMP an die Zyklonukleotidbindedomäne, führt das zu einer Änderung der Konformation des C-Terminus. Diese Änderung resultiert in verminderter Inhibition und destabilisiert den geschlossenen Zustand. Folglich erhöht cAMP die Öffnungswahrscheinlichkeit der HCN-Kanäle. Dadurch verschiebt sich die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung. Dies bedeutet, dass sich die Kanäle bei gegebener cAMP-Konzentration so verhalten, als wären sie einer stärkeren Hyperpolarisation ausgesetzt. Somit besteht ein „höherer Druck“ sich zu öffnen.
Transmembrandomäne Der transmembranäre Anteil einer HCN-Untereinheit besteht aus sechs alpha-helikalen Segmenten (S1–S6) und einer ionenleitenden Porenschleife zwischen S5 und S6. Ein hochkonservierter Asparaginrest in der extrazellulären Schleife zwischen S5 und der Porenschleife ist glykosyliert. Diese Modifikation ist essentiell für eine normale Oberflächenexpression der HCN-Kanäle.B. Much, C. Wahl-Schott, X. Zong, A. Schneider, L. Baumann, S. Moosmang, A. Ludwig, M. Biel: Role of subunit heteromerization and N-linked glycosylation in the formation of functional hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels. In: The Journal of biological chemistry. Band 278, Nummer 44, Oktober 2003, S. 43781–43786, . doi:10.1074/jbc.M306958200. PMID 12928435.
Der Spannungssensor der HCN-Kanäle liegt im S4-Segment. Er besteht aus neun Arginin- oder Lysinresten, die an jeder dritten Position im S4-Segment lokalisiert sind.J. Chen, J. S. Mitcheson, M. Lin, M. C. Sanguinetti: Functional roles of charged residues in the putative voltage sensor of the HCN2 pacemaker channel. In: The Journal of biological chemistry. Band 275, Nummer 46, November 2000, S. 36465–36471, . doi:10.1074/jbc.M007034200. PMID 10962006. Positiv geladene S4-Segmente finden sich in allen spannungsabhängigen Kationenkanälen mit 6-Transmembrandomänen-Topologie. HCN-Kanäle bilden hier jedoch eine Besonderheit. Eine Einwärtsbewegung des Segments durch die Ebene der Zellmembran als Antwort auf eine Hyperpolarisation führt zu einer Kanalöffnung, während sie bei allen anderen Kanälen zu einer Schließung führt.R. Männikkö, F. Elinder, H. P. Larsson: Voltage-sensing mechanism is conserved among ion channels gated by opposite voltages. In: Nature. Band 419, Nummer 6909, Oktober 2002, S. 837–841, . doi:10.1038/nature01038. PMID 12397358. Dieser Effekt ist Gegenstand aktueller Forschung. Erste Hinweise deuten auf die Verbindung von S4 zu S5 als molekulares Korrelat dieser andersartigen Antwort auf Spannung hin.N. Decher, J. Chen, M. C. Sanguinetti: Voltage-dependent gating of hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated pacemaker channels: molecular coupling between the S4-S5 and C-linkers. In: The Journal of biological chemistry. Band 279, Nummer 14, April 2004, S. 13859–13865, . doi:10.1074/jbc.M313704200. PMID 14726518.D. L. Prole, G. Yellen: Reversal of HCN channel voltage dependence via bridging of the S4-S5 linker and Post-S6. In: The Journal of general physiology. Band 128, Nummer 3, September 2006, S. 273–282, . doi:10.1085/jgp.200609590. PMID 16908727. .
Heteromerisierung Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Isoformen HCN1 und HCN2 miteinander koassemblieren und Heteromultimere bilden. Die Expression von Konkatameren (Wiederholungssequenzen einer DNA-Kette) von HCN1- und HCN2-Untereinheiten bei Mäusen zeigt, dass die Kinetik des entstehenden Kanals intermediär zwischen denen der einzelnen Isoformen liegt.C. Ulens, J. Tytgat: Functional heteromerization of HCN1 and HCN2 pacemaker channels. In: The Journal of biological chemistry. Band 276, Nummer 9, März 2001, S. 6069–6072, . doi:10.1074/jbc.C000738200. PMID 11133998. Diese Resultate verdeutlichen, dass eine Entstehung von Heteromultimeren in Zellen, die beide Isoformen exprimieren, möglich ist. Interessant an den Heteromultimeren ist, dass jede Untereinheit eine spezifische Charakteristik auf den Kanal überträgt. So lag die halbmaximale Aktivierung nahe der von HCN2-Homomultimeren, die Geschwindigkeit der Aktivierung entsprach hingegen der eines HCN1-Homomultimers. Die Reaktion der HCN1/HCN2-Kanäle auf cAMP war sogar exakt die gleiche wie die von HCN2-Kanälen. Eine Heteromultimerisierung anderer Stöchiometrie mit variierenden Isoformen ist demnach im nativen Gewebe ebenfalls denkbar. Weitere Experimente lassen zudem vermuten, dass native HCN-Kanäle β-Untereinheiten enthalten können.H. Yu, J. Wu, I. Potapova, R. T. Wymore, B. Holmes, J. Zuckerman, Z. Pan, H. Wang, W. Shi, R. B. Robinson, M. R. El-Maghrabi, W. Benjamin, J. Dixon, D. McKinnon, I. S. Cohen, R. Wymore: MinK-related peptide 1: A beta subunit for the HCN ion channel subunit family enhances expression and speeds activation. In: Circulation Research Band 88, Nummer 12, Juni 2001, S. E84–E87, . PMID 11420311.
Die Koexpression des Proteins MinK-related peptide 1 (MIRP1) mit HCN1 oder HCN2 erhöhte die Stromamplitude signifikant. MIRP1 könnte entweder die Oberflächenexpression verbessern oder den Kanalkomplex stabilisieren. Zudem nimmt MIRP1 Einfluss auf die Aktivierungs- und Deaktivierungskinetik der HCN-Isoformen, woraus sich die Variabilität der Kinetik in verschiedenen Studien erklären könnte. Allerdings konnte der Effekt von MIRP1 mit HCN-Kanälen nicht von allen Gruppen reproduziert werden. Daher ist eine Interaktion dieses KCNE-Proteins mit HCN unsicher.
Biophysik der HCN-Kanäle Spannungsabhängigkeit der Aktivierung Die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung ist für die verschiedenen HCN-Kanäle unterschiedlich. Die ungefähre Spannung der halbmaximalen Aktivierung beträgt für HCN1 −70 mV, für HCN2 −95 mV, für HCN3 liegt sie im Bereich von −77 mV bis −95 mV und für HCN4 beträgt sie −100 mV.C. Altomare, B. Terragni, C. Brioschi, R. Milanesi, C. Pagliuca, C. Viscomi, A. Moroni, M. Baruscotti, D. DiFrancesco: Heteromeric HCN1-HCN4 channels: a comparison with native pacemaker channels from the rabbit sinoatrial node. In: The Journal of Physiology. Band 549, Pt 2, Juni 2003, S. 347–359, . doi:10.1113/jphysiol.2002.027698. PMID 12702747. .J. Stieber, G. Stöckl, S. Herrmann, B. Hassfurth, F. Hofmann: Functional expression of the human HCN3 channel. In: The Journal of biological chemistry. Band 280, Nummer 41, Oktober 2005, S. 34635–34643, . doi:10.1074/jbc.M502508200. PMID 16043489. Im Jahr 2005 konnte ein weiterer spannungsabhängiger Effekt gezeigt werden.R. Männikkö, S. Pandey, H. P. Larsson, F. Elinder: Hysteresis in the voltage dependence of HCN channels: conversion between two modes affects pacemaker properties. In: The Journal of general physiology. Band 125, Nummer 3, März 2005, S. 305–326, . doi:10.1085/jgp.200409130. PMID 15710913. .