Abteilung Angewandte Physiologie

Prof. Dr. Dipl.-Ing. F. Lehmann-Horn

Prof. Dr. S. Grissmer

Prof. Dr. R. Wodick

PD Dr. W. Melzer, Dr. A. Herrmann-Frank

Stichworte: Ionenkanalkrankheiten, Muskelkrankheiten, genetische Kopplungsstudien, Mutationen, Mutagenese, funktionelle Expression, Struktur-Funktions-Beziehungen, Ionenkanäle, Natriumkanal, Kaliumkanal, Chloridkanal, Calziumkanal, Ryanodinrezeptor, Dihydropyridinrezeptor, Calzium-Transienten, Muskelzentrum, Muskelforschung, Skelettmuskel, maligne Hyperthermie, periodische Paralyse, Myotonien, Epilepsien, Fluoreszenzmikroskopie, Patch clamp-Technik, Spannungs- und Ca2+-abhängige K+ Kanäle, Struktur-Wirkungsanalysen, stellenspez. Mutationen

Physiologie und Pathophysiologie der Zellerregung bilden den Forschungsschwerpunkt der Abteilung. Grundlagenorientierte Fragestellungen zu Struktur-Funktions-Beziehungen und Regulation von Liganden- und spannungsgesteuerten Ionenkanälen einerseits sowie Krankheitspathogenese hereditärer Ionenkanalstörungen vornehmlich der Skelettmuskulatur andererseits wurden parallel bearbeitet.

Physiologie und Pathophysiologie spannungsgesteuerter Ionenkanäle

Mit Hilfe der modernen elektrophysiologischen (patch clamping) und molekularbiologischen Methoden ist der Arbeitsgruppe in internationaler Kooperation gelungen, die erblichen Myotonien und periodischen Paralysen als Ionenkanalkrankheiten zu identifizieren und die Pathogenese weitgehend zu klären. Mutationen in spannungsabhängigen Kanälen, die an der Generierung von Aktionspotentialen bzw. der Einhaltung des Ruhemembranpotentials beteiligt sind, wurden identifiziert, homolog und heterolog exprimiert und funktionell charakterisiert. Mutationsbedingte Veränderungen der Inaktivierung des Na+-Kanals erwiesen sich als entscheidend für die Entstehung der Paramyotonie, der hyperkaliämischen periodischen Paralyse und der Kalium-induzierten Myotonie. Letztere wurde erstmals als Na+-Kanalkrankheit identifiziert und damit von der Myotonia congenita, einer Cl--Kanalstörung, abgegrenzt. Zahlreiche neue Mutationen mit dominanten oder rezessiven Effekten wurden in beiden Genen entdeckt. Die Myotonia levior erwies sich genetisch als nicht-eigenständiges Krankheitsbild; Mutationen im Cl--Kanalgen kennzeichneten sie als milde Form der Myotonia congenita Thomsen. Für die hypokaliämische periodische Paralyse wurde das ursächliche Gen entdeckt. Es kodiert für die Hauptuntereinheit des L-Typ-Calziumkanals (Dihydropyridinrezeptor, DHP-Rezeptor), und die gefundenen Mutationen wurden funktionell charakterisiert. Insgesamt führten die Erkenntnisse zu einer neuen Klassifikation der Myotonien und periodischen Paralysen, die in zahlreichen Lehrbuchkapiteln und Übersichtsartikeln dargestellt werden konnte.

Physiologie und Pathophysiologie der elektromechanischen Kopplung

Die elektromechanische Kopplung ist die Umsetzung der elektrischen Erregung der Muskelzellmembran in eine Muskelkontraktion, die durch eine Calzium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum ermöglicht wird. Die Proteine, die hauptsächlich bei dieser Signaltransduktion beteiligt sind, sind der DHP-Rezeptor, der als Calziumkanal und als Spannungssensor für die Ca-Freisetzung fungiert, und der Ryanodinrezeptor (RyR), das ist der Ca-Freisetzungskanal in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums. Biochemische und funktionelle Eigenschaften dieser Kanalproteine wurden charakterisiert, und zwar an intakten Skelettmuskelfasern, an kultivierten Myotuben, Membranfraktionen und auch an aufgereinigten und in künstliche Membranen rekonstituierten Kanälen. Ziel war es, die elektromechanische Kopplung beim Menschen sowie deren Fehlfunktion bei bestimmten Muskelerkrankungen zu verstehen.

Der DHP-sensitive Ca-Einwärtsstrom konnte durch intrazelluläre Applikation von Agenzien blockiert werden, die die spannungsabhängigen Ca-Transienten unterdrückten; dies weist auf eine rückkoppelnde Einflußnahme des freigesetzten Calziums auf den DHP-Rezeptor hin. Regulation und Modulation des mutierten RyRs aus der Skelettmuskulatur von Patienten und Tieren mit der Anlage zu maligner Hyperthermie (MH), einer potentiell letalen, muskulär bedingten Narkosekomplikation, wurden mit endogenen (Ca2+, ATP und Calmodulin) und exogenen Liganden (Koffein- und Cresolderivate) untersucht. Der mutierte RyR wies eine erhöhte Affinität für aktivierende Liganden auf, nicht aber für inhibierende Liganden. 4-Chloro-m-Cresol wurde als hochaffiner RyR-Ligand erkannt, mit dessen Hilfe die in-vitro Diagnostik für die Anlage zu MH verbessert wurde. Kopplungsstudien an Ulmer Familien, in Europäischer Kooperation untersucht, ergaben zwei Genloci zusätzlich zum Ryanodinrezeptor; die Genidentifikation erfolgt gegenwärtig. Die Erarbeitung eines Deutschen Zentralregisters für MH und ähnliche Narkosezwischenfälle in Ulm und die bundesweite Dokumentation der diagnostischen Ergebnisse, genetisch wie bioptisch, wurde begonnen; sie wird zur künftigen Erforschung der Erkrankung wesentlich beitragen.

Kaliumkanal-spezifische Pharmakon-Entwicklung (Prof. Dr. S. Grissmer)

Ziel in den letzten Jahren war die Erforschung sowohl von spannungs- als auch von Ca2+-abhängigen Kaliumkanälen. Wir haben in menschlichen T Lymphozyten Ca2+-abhängige Kaliumkanäle beschrieben und deren Rolle bei der T Zellaktivierung erörtert. Diese Kanäle könnten in Kombination mit den spannungsabhängigen Kaliumkanälen in den gleichen Zellen eine wichtige Rolle in der Regulation der intrazellulären Ca2+ Konzentration während der Aktivierung von T Zellen spielen.

Indem wir den spannungsabhängigen Kaliumkanal Kv1.3 zusammen mit dem Serotoninrezeptor in Xenopus Oozyten exprimierten, konnten wir durch Serotoningabe den Kv1.3 Kanal unterdrücken. Wir vermuten, daß die durch Serotonin ausgelöste Unterdrückung des Kv1.3 Stromes durch Aktivierung eines Pertussistoxin-sensitiven G-Proteins mit anschließendem Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration hervorgerufen wird.

Wir haben die Xenopus Oozyten-Expressionsmethode auf Säugerzellen erweitert. Wir sind jetzt in der Lage, Säugerzellen mit RNA zu injizieren und die exprimierten Kanäle zu untersuchen. Dies ermöglichte es uns, eine genaue Analyse der pharmakologischen Eigenschaften verschiedener Kaliumkanäle durchzuführen.

Durch stellen-spezifische Mutationen im spannungsabhängigen Kaliumkanal Kv3.1 konnten wir zeigen, daß Aminosäuren im S6 Bereich einen Teil der Pore darstellen. Eine Mutation in S6 führte dazu, daß der Strom durch einen einzelnen Kv3.1 Kanal ein Flickerverhalten zeigt, wenn K der Stromträger ist. Wenn Rb der Stromträger ist, verhält sich der Strom normal. Aus der Spannungsabhängigkeit des Flickerverhaltens konnten wir schließen, daß die Seite im Kanal, die für dieses Verhalten verantwortlich ist, in der Pore oder zumindest sehr nahe an der Pore sein muß.

  1. Chandy KG, Gutman GA, Grissmer S. 1993. Physiological role, molecular structure, and evolutionary relationships of voltage-gated potassium channels in T lymphocytes. Seminars in The Neurosciences 5:125-134.
  2. Grissmer S, Nguyen AN, Cahalan MD. 1993. Calcium-activated potassium channels in resting and activated human T lymphocytes. Expression Levels, Calcium dependence, ion selectivity, and pharmacology. Journal of General Physiology 102:601-630.
  3. Aiyar J, Grissmer S, Chandy KG. 1993. Full-length and truncated Kv1.3 K+ channels are modulated by 5-HT1C receptor activation and independently by PKC. American Journal of Physiology 265(Cell Physiol. 34):C1571-C1578.
  4. Grissmer S, Nguyen AN, Aiyar J, Hanson DC, Mather RJ, Gutman GA, Karmilowicz MJ, Auperin DD, and Chandy KG. 1994. Pharmacological characterization of five cloned voltage-gated K+ channels, Kv1.1, Kv1.2, Kv1.3, Kv1.5, and Kv3.1, stably expressed in mammalian cell lines. Molecular Pharmacology 45:1227-1234.
  5. Aiyar J, Nguyen AN, Chandy KG, Grissmer S. 1994. The P-region and S6 of Kv3.1 contribute to the formation of the ion conduction pathway. Biophysical Journal 67:2261-2264.
  6. Lerche, H., Heine, R., Pika, U., George, AL., Mitrovic, N., Browatzki, M., Weiss, T., Bastide-Rivet, M., Franke, C., LoMonaco, M., Ricker, K., Lehmann-Horn, F.: Human sodium channel myotonia: Slowed channel inactivation due to substitutions for a glycine within the III/IV linker. J Physiol 470:13-22, 1993
  7. Lehmann-Horn F.: Molekulare Genetik in der Medizin: Maligne Hyperthermie. Deutsches Ärzteblatt 90:2475-2478, 1993
  8. Sudbrak, R., Golla, A., Hogan, K., Powers, P., Gregg, R., Du Chesne, I., Lehmann-Horn, F., Deufel, T.: Exclusion of malignant hyperthermia susceptibility (MHS) from a putative MHS2 locus on chromosome 17q and of the 1-, 1-, and -subunits of the dihydropyridine receptor calcium channel as candidates for the molecular defect. Hum Mol Gen 2:857-862, 1993
  9. Heine, R., Pika, U., Lehmann-Horn, F.: A novel SCN4A mutation causing myotonia aggravated by cold and potassium. Hum Mol Gen 2:1349-1353, 1993
  10. Feldmeyer, D., Melzer, W., Pohl, B., Zöllner, P.: A possible role of sarcoplasmic Ca2+ release in modulating the slow Ca2+ current of skeletal muscle. Pflügers Archiv (Eur J Physiol) 425: 54-61, 1993
  11. Schnier, A., Lüttgau, H. Ch., Melzer, W.: Role of extracellular metal cations in the potential dependence of force inactivation in skeletal muscle fibres. Journal of Muscle Research and Cell Motility 14:565-572, 1993
  12. Herrmann-Frank, A., Meissner, G.: Regulation of Ca2+ release from skeletal muscle sarcoplasmic reticulum. Med Sport Science 34: 11-19, 1993
  13. Herrmann-Frank, A., Varsanyi, M.: Enhancement of Ca2+ release channel activity by phosphorylation of the skeletal muscle ryanodine receptor. FEBS Letters 332: 237-242, 1993
  14. Ricker, R., Moxley, R.T., Heine, R., Lehmann-Horn, F.: Myotonia fluctuans, a third type of muscle sodium channel disease. Arch Neurol 51:1095-1102, 1994
  15. Fontaine, B., Vale Santos, J.M., Jurkat-Rott, K., Reboul, J., Plassart, E., Rime, C.S., Elbaz, A., Heine, R., Guimaraes, J., Weissenbach, J., Baumann, N., Fardeau, M., Lehmann-Horn, F.: Mapping of the hypokalaemic periodic paralysis (HypoPP) locus to chromosome 1q31-32 in three European families. Nature Genetics 6:267-272, 1994
  16. Heine, R., George, A.L., Pika, U., Deymeer, F., Rüdel, R., Lehmann-Horn, F.: Proof of a non-functional muscle chloride channel in recessive myotonia congenita (Becker) by detection of a 4 base pair deletion. Hum Mol Gen 3:1123-1128, 1994
  17. Mitrovic, N., George, A.L. jr., Heine, R., Wagner, S., Pika, U., Hartlaub, U., Zhou, M., Lerche, H., Fahlke, C., Lehmann-Horn, F.: Potassium-aggravated myotonia: The V1589M mutation destabilizes the inactivated state of the human muscle sodium channel. J Physiol 478:395-402, 1994
  18. JurkatRott, K., LehmannHorn, F., Elbaz, A., Heine, R., Gregg, R.G., Hogan, K., Powers, P., Lapie, P., Vale-Santos, J.E., Weissenbach, J., Fontaine, B.: A calcium channel mutation causing hypokalemic periodic paralysis. Hum Mol Gen 3:1415-1419, 1994
  19. Lerche, H., Fahlke, Ch., Iaizzo, PA., Lehmann-Horn, F.: Characterization of the high-conductance Ca2+-activated K+ channel in adult human skeletal muscle. Pflügers Archiv 429:738-747, 1995
  20. Sipos, I., JurkatRott, K., Harasztosi, Cs., Fontaine, B., Kovacs, L., Melzer, W., LehmannHorn, F.: Skeletal muscle DHP receptor mutations alter calcium currents in human hypokalaemic periodic paralysis myotubes. J Physiol 483:299-306, 1995
  21. Mitrovic, N., George, A.L. jr., Lerche, H., Wagner, S., Fahlke, Ch., Lehmann-Horn, F.: Different effects on gating of three myotonia-causing mutations in the inactivation gate of the human muscle sodium channel. J Physiol 487:107-114, 1995
  22. Hohenegger, M., Herrmann-Frank, A., Richter, M., Lehmann-Horn, F.: Activation and labelling of the purified skeletal muscle ryanodine receptor by an oxidized ATP analogue. Biochem J 308:119-125, 1995
  23. Feldmeyer, D., Zöllner, P., Pohl, B., Melzer, W.: Calcium current reactivation after flash photolysis of nifedipine in skeletal muscle fibres of the frog. J Physiol 487: 51-56, 1995
  24. Hohenegger, M., Herrmann-Frank, A., Richter, M., Lehmann-Horn, F.: Activation and labelling of the purified skeletal muscle ryanodine receptor by an oxidized ATP analogue. Biochem J 308: 119-125, 1995
  25. Herrmann-Frank, A., Richter, M., Sarközi, S., Mohr, U., Lehmann-Horn, F.: 4-chloro-m-cresol, a potent and specific activator of the skeletal muscle ryanodine receptor. Biochim Biophys Acta 1289, 31-40, 1995
  26. Lehmann-Horn, F., Mailänder, V., Heine, R., George, A.L.: Myotonia levior is a chloride channel myotonia. Hum Mol Gen 4:1397-1402, 1995

Invited Reviews:

  1. Lehmann-Horn, F., Rüdel, R., Ricker, K.: Non-dystrophic myotonias and periodic paralyses. Neuromuscular Disorders 3:161-168, 1993
  2. Rüdel, R., Ricker, K., Lehmann-Horn, F.: Genotype-phenotype correlations in human skeletal muscle sodium channel diseases. Arch Neurol 50:1241-1248, 1993
  3. Hoffman, E.P., Lehmann-Horn, F., Rüdel, R.: Overexcited or inactive: ion channels in muscle diseases. Cell 80:681-686, 1995
  4. Lehmann-Horn, F., Rüdel, R.: Hereditary nondystrophic myotonias and periodic paralyses. Current Opinion in Neurology 8:402-410, 1995
  5. Melzer, W., Herrmann-Frank, A., Lüttgau, H.Ch.: The role of Ca2+ ions in excitation-contraction coupling of skeletal muscle fibres. Biochimica et Biophysica Acta 1241: 59-116, 1995

Herausgeberschaft:

Lehmann-Horn, F., Struppler, A., Therapieschemata Neurologie, 2. Auflage, Urban & Schwarzenberg, München, 1994

Der Abteilungsleiter ist Mitglied der Herausgeberkollegien der Fachzeitschriften Muscle & Nerve and Neuromuscular Disorders

Finanzierung der Forschungsprojekte:

Frank Lehmann-Horn:

DFG-Muskelschwerpunkt: Le 481/3-3 Kennwort "sarkolemmale Ionenkanäle"

DFG-Normalverfahren: Le 481/4-1 Kennwort "DHP-Rezeptor"

Muscular Dystrophy Association of the United States: Molecular genetics of hypokalemic periodic paralysis

Kröner-Fresenius-Stiftung (gemeinsam mit R. Rüdel und M. Georgieff): Aufbau Deutsches Zentralregister Maligne Hyperthermie am Muskelzentrum Ulm

Mitwirkung am DFG-Graduiertenkolleg "Biomolekulare Medizin"

European Commission (EC): TMR Programme (Research Networks): ERB-4061-PL-95-0522: Koordination des 8-teiligen Verbundprojekts "Structure and function of proteins in skeletal muscle excitation-contraction coupling"

Procope (DAAD): Forschungskooperation mit Bertrand Fontaine, Paris

S. Grissmer:
Pfizer Inc. (USA) 9/94-9/96, DFG (Gr848/4-1) 11/95-11/97

Werner Melzer:
EC Ostblockstaaten-Programm, EC-Projekt im o.g. Verbund
DFG-Unterstützung für Tagung "Ca signalling in muscle"

Annegret Hermann-Frank:
EC-Projekt im o.g. Verbund

Außeruniversitäre Kooperationen:

Thomas Deufel, M.D., Kinderklinik, Universität Münster, Münster

Feza Deymeer, M.D., Dept. of Neurology, Istanbul Medical Faculty, Istanbul University, Istanbul, Turkey

Bernhard Flucher, Dept. of Biochemical Pharmacology, University Innsbruck, Innsbruck, Austria

Bertrand Fontaine, M.D., Laboratoire de Neurobiol. Cellulaire, Hopital de la Salpetrière, Paris

Alfred L. George, M.D., Dept of Medicine, Vanderbilt Univ., Nashville, TN, USA

Eric P. Hoffman, Ph.D., Dept of Molecular Genetics and Biochemistry, University of Pittsburgh, School of Medicine, Pittsburgh, PA, USA

Paul A. Iaizzo, Ph.D., Dept. of Anesthesiology, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA

Hans Kemmer, Ph.D., Physiologisches Institut der Universität Heidelberg, Heidelberg

Manfred Kohlhardt, Ph.D., Physiol. Institut, Freiburg

Werner Kühlbrandt,Ph.D., EMBL Heidelberg, Heidelberg

Tommie McCarthy, Ph.D., Dept. of Biochemistry, University College Cork, Ireland

Kay Ohlendieck, Ph.D., Dept. of Pharmacology, University College Dublin, Dublin, Ireland

Kenneth Ricker, M.D., An der Lehmgrube 9, 97234 Reichenberg

Michel Ronjat, Ph.D., Dept. de Biologie Moleculaire et Structurale, Centre d'Etudes Nucleaires de Grenoble, Grenoble, France

Istvan Sipos, M.D./Laszlo Kovacs, Ph.D., Dept. of Physiology, University Med. School of Debrecen, Debrecen, Hungary

Jens Timmer, Ph.D., Freiburger Zentrum für Datenanalyse, Freiburg

Francesco Zorzato, M.D., Ph.D., Istituto di Patologia Generale, University of Ferrara, Ferrara, Italy

European Malignant Hyperthermia Group (EMHG)

Dissertationen:

1994 T. Weiß: Das Verhalten von menschlichen muskulären Natriumkanälen in Membranvesikeln gesunder und genetisch veränderter Skelettmuskulatur unter Temperatureinfluß

1994 M. Browatzki: Das Verhalten von menschlichen muskulären Natriumkanälen in Membranvesikeln gesunder und genetisch veränderter Skelettmuskulatur und die Beeinflußbarkeit normaler Natriumkanäle durch Glutathion

1995 R. Heine ("summa cum laude"): Korrelation von Genotyp und Phänotyp bei Natrium- und Chloridkanalkrankheiten

1995 K. Jurkat-Rott ("summa cum laude"): Molekularbiologische Grundlage der hypokaliämischen periodischen Paralyse

Preise/Ehrungen:

K. Jurkat-Rott: Sandoz-Preis 1994

F. Lehmann-Horn: Wahl zum Europa-Vertreter bei Gordon Conference "Excitation Contraction-Coupling" 1994, Wissenschaftspreis der Stadt Ulm 1995, Wahl zum Sprecher des IZKF Ulm 1995

W. Melzer: Merckle-Preis 1995

Gastprofessoren:

Paul A. Iaizzo, Ph.D., Minneapolis, USA, 1993, 1994, 1995

Günter Rau, Ph.D., Aachen, 1993

Kenneth Ricker, M.D., Würzburg, 1994, 1995

Geza Scüzs, Ph.D., Debrecen, Ungarn, 1994

Professor Dr. K. George Chandy, USA, 17.-24. Oktober 1995

Symposien/Konferenzen:

Mitgestaltung der Gordon Conference on "Excitation Contraction-Coupling" , New Hampshire, Juli 1994

Organisation des Symposiums "Channel diseases" at the VIIIth International Congress on Neuromuscular Diseases, Kyoto, 1994

Oktober 1995: "Calcium Signalling in Muscle". Dreitägiges Symposium, organisiert von H. Brinkmeier, A. Herrmann-Frank und W. Melzer (Mit Unterstützung durch die DFG, 4850/188/95),. Veröffentlichung der Vorträge erfolgt im Journal of Muscle Research and Cell Motility 1996.

Organisation des Symposiums "Myotonia and Periodic Paralyses" at the Xth International Congress of EMG and Clinical Neurophysiology, Kyoto, 1995

Dezember 1995: "Paramyotonia, Potassium-Aggravated Myotonias and Periodic Paralyses". Dreitägiger ENMC-Workshop für 25 geladene Experten. Organisiert von Prof. R. Rüdel und Prof. F. Lehmann-Horn, in Baarn, Holland. Veröffentlichung des Workshop Reports erfolgt in Neuromuscular Disorders 1996.

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