Untersuchungen zur Zell-Transistor-Kopplung mittels der Voltage-Clamp-Technik

Untersuchungen zur Zell-Transistor Kopplung mittels der Voltage-Clamp TechnikIn der vorliegenden Arbeit wird die extrazelluläre Einkopplung elektrischer Signale von Zellen in Transistoren hinsichtlich der an der Kopplung beteiligten Parameter untersucht. Dafür werden Zellen aus Primärkulturen und von Zell-Linien direkt auf den aktiven Sensorflächen der hergestellten Chips kultiviert. Für die Experimente werden n- und p-Kanal Feldeffekttransistoren (FET) sowie Extended-Gate-Elektroden (EGE) mit Gold- und Titanoberflächen entwickelt.Zur Untersuchung der Kopplungseigenschaften werden die neuronale Zell-Linie SH-SY5Y, die humane Endothel Zell-Linie EA.hy-926 sowie als Primärzellen hippocampale Neuronen und Kardiomyozyten embryonaler und neonataler Ratten eingesetzt. Die Voltage-Clamp Technik erlaubt die Untersuchung spannungsgesteuerter Ionenkanäle in der Zellmembran. Maßgebend für den Signalverlauf des extrazellulär eingekoppelten Signals ist der Ionenstrom von Na+, K+ und Ca2+ durch die Membran im Kontaktbereich zwischen Zelle und Sensor.Die Kopplung kann elektrisch mithilfe eines Ersatzschaltkreises beschrieben werden, der alle beteiligten elektrischen Größen der Membran und der Ionenströme, sowie die Parameter des Kontaktbereichs und des Sensors enthält.Die Simulation der extrazellulären Signale zeigt, dass die beobachteten Signalformen nur durch eine Erhöhung der Ionenkanaldichten und dadurch einer deutlich vergrößerten Leitfähigkeit der Ionenarten im Kontaktbereich gegenüber der freien Membran erklärt werden können.

Membrane transport mechanisms probed by capacitance measurements with megahertz voltage clamp.

We have used capacitance measurements with a 1-microsecond voltage clamp technique to probe electrogenic ion-transporter interactions in giant excised membrane patches. The hydrophobic ion dipicrylamine was used to test model predictions for a simple charge-moving reaction. The voltage and frequency dependencies of the apparent dipicrylamine-induced capacitance, monitored by 1-mV sinusoidal perturbations, correspond to single charges moving across 76% of the membrane field at a rate of 9500 s-1 at 0 mV. For the cardiac Na,K pump, the combined presence of cytoplasmic ATP and sodium induces an increase of apparent membrane capacitance which requires the presence of extracellular sodium. The dependencies of capacitance changes on frequency, voltage, ATP, and sodium verify that phosphorylation enables a slow, 300- to 900-s-1, pump transition (the E1-E2 conformational change), which in turn enables fast, electrogenic, extracellular sodium binding reactions. For the GAT1 (gamma-aminobutyric acid,Na,Cl) cotransporter, expressed in Xenopus oocyte membrane, we find that chloride binding from the cytoplasmic side, and probably sodium binding from the extracellular side, results in a decrease of membrane capacitance monitored with 1- to 50-kHz perturbation frequencies. Evidently, ion binding by the GAT1 transporter suppresses an intrinsic fast charge movement which may originate from a mobility of charged residues of the transporter binding sites. The results demonstrate that fast capacitance measurements can provide new insight into electrogenic processes closely associated with ion binding by membrane transporters.

Role of calcium influx through voltage-operated calcium channels and of calcium mobilization in the physiology of Schistosoma mansoni muscle contractions

We tested the hypothesis that voltage-operated Ca2+ channels mediate an extracellular Ca2+ influx in muscle fibres from the human parasite Schistosoma mansoni and, along with Ca2+ mobilization from the sarcoplasmic reticulum, contribute to Muscle contraction. Indeed, whole-cell voltage clamp revealed voltage-gated inward currents carried by divalent ions with a peak current elicited by steps to + 20 mV (from a holding potential of -70 mV). Depolarization of the fibres by elevated extracellular K+ elicited contractions that were completely dependent on extracellular Ca2+ and inhibited by nicardipine (half inhibition at 4(.)1 mu M). However these contractions were not very sensitive to other classical blockers of voltage-gated Ca2+ channels, indicating that the schistosome Muscle channels have an atypical pharmacology when compared to their mammalian counterparts. Furthermore, the contraction induced by 5 mM caffeine was inhibited after depletion of the sarcoplasmic reticulum either with thapsigargin (10 mu M) or ryanodine (10 mu M). These data suggest that voltage-operated Ca2+ channels docontribute to S. mansoni contraction as does the mobilization of stored Ca2+, despite the small volume of sarcoplasmic reticulum in schistosome smooth muscles.

High-affinity NO(3-)-H+ cotransport in the fungus Neurospora:induction and control by pH and membrane voltage

High-affinity nitrate transport was examined in intact hyphae of Neurospora crassa using electrophysiological recordings to characterize the response of the plasma membrane to NO3- challenge and to quantify transport activity. The NO3(-)-associated membrane current was determined using a three electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in hyphae transferred to NO3(-)-free, N-limited medium for 15 hr, and in hyphae grown in the absence of a nitrogen source after a single 2-min exposure to 100 microM NO3-. In the latter, induction showed a latency of 40-80 min and rose in scalar fashion with full transport activity measurable approx. 100 min after first exposure to NO3-; it was marked by the appearance of a pronounced sensitivity of membrane voltage to extracellular NO3- additions which, after induction, resulted in reversible membrane depolarizations of (+)54-85 mV in the presence of 50 microM NO3-; and it was suppressed when NH4+ was present during the first, inductive exposure to NO3-. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO3- additions showed that the NO3(-)-evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared in parallel with the depolarizations across the entire range of accessible voltages (-400 to +100 mV). Measurements of NO3- uptake using NO3(-)-selective macroelectrodes indicated a charge stoichiometry for NO3- transport of 1(+):1(NO3-) with common K(m) and Jmax values around 25 microM and 75 pmol NO3- cm-2sec-1, respectively, and combined measurements of pHo and [NO3-]o showed a net uptake of approx. 1 H+ with each NO3- anion. Analysis of the NO3- current demonstrated a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -300 and -100 mV as well as interactions between the kinetic parameters of membrane voltage, pHo and [NO3-]o. Increasing the bathing pH from 5.5 to 8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 2- to 4-fold. At a constant pHo of 6.1, driving the membrane voltage from -350 to -150 mV resulted in an approx. 3-fold reduction in the maximum current and a 5-fold rise in the apparent affinity for NO3-. By contrast, the same depolarization effected an approx. 20% fall in the K(m) for transport as a function in [H+]o. These, and additional results are consistent with a charge-coupling stoichiometry of 2(H+) per NO3- anion transported across the membrane, and implicate a carrier cycle in which NO3- binding is kinetically adjacent to the rate-limiting step of membrane charge transit. The data concur with previous studies demonstrating a pronounced voltage-dependence to high-affinity NO3- transport system in Arabidopsis, and underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO3- transport; finally, they distinguish metabolite repression of NO3- transport induction from its sensitivity to metabolic blockade and competition with the uptake of other substrates that draw on membrane voltage as a kinetic substrate.

NO3- transport across the plasma membrane of Arabidopsis thaliana root hairs:Kinetic control by pH and membrane voltage

High-affinity nitrate transport was examined in intact root hair cells of Arabidopsis thaliana using electrophysiological recordings to characterise the response of the plasma membrane to NO₃^-challenge and to quantify transport activity. The NO₃^--associated membrane current was determined using a three-electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in the roots of seedlings grown in the absence of a nitrogen source, but only 4-6 days postgermination. In 6-day-old seedlings, additions of 5-100 μm NO₃^-to the bathing medium resulted in membrane depolarizations of 8-43 mV, and membrane voltage (V_m) recovered on washing NO₃^-from the bath. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO₃^-additions showed that the NO₃^--evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared across the entire range of accessible voltages (-300 to +50 mV). Both membrane depolarizations and NO₃^--evoked currents recorded at the free-running voltage displayed quasi-Michaelian kinetics, with apparent values for K_m of 23 ± 6 and 44 ± 11 μm, respectively and, for the current, a maximum of 5.1 ± 0.9 μA cm^-2. The NO₃^-current showed a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -250 and -100 mV, as could be demonstrated under voltage clamp, and increasing the bathing pH from 6.1 to 7.4-8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 3- to 8-fold. Analyses showed a well-defined interaction between the kinetic variables of membrane voltage, pH_o and [NO₃^-]_o. At a constant pH_o of 6.1, depolarization from -250 to -150 mV resulted in an approximate 3-fold reduction in the maximum current but a 10% rise in the apparent affinity for NO₃^-. By contrast, the same depolarization effected an approximate 20% fall in the K_m for transport as a function in [H⁺]_o. These, and additional characteristics of the transport current implicate a carrier cycle in which NO₃^-binding is kinetically isolated from the rate-limiting step of membrane charge transit, and they indicate a charge-coupling stoichiometry of 2(H⁺) per NO₃^-anion transported across the membrane. The results concur with previous studies showing a high-affinity NO₃^-transport system in Arabidopsis that is inducible following a period of nitrogen-limiting growth, but they underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO₃^-transport at the plant plasma membrane. © 1995 Springer-Verlag New York Inc.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Études de type structure fonction du couplage électromécanique et de la coopérativité sous-unitaire chez les canaux potassiques dépendants du voltage

Les canaux potassiques voltage-dépendants forment des tétramères dont chaque sous-unité comporte six segments transmembranaires (S1 à S6). Le pore, formé des segments S5-S6 de chaque sous-unité, est entouré de quatre domaines responsables de la sensibilité au potentiel membranaire, les senseurs de voltage (VS; S1-S4). Lors d’une dépolarisation membranaire, le mouvement des résidus chargés situés dans le VS entraine un mouvement de charges détectable en électrophysiologie, le courant de « gating ». L’activation du VS conduit à l'ouverture du pore, qui se traduit par un changement de conformation en C-terminal du segment S6. Pour élucider les principes qui sous-tendent le couplage électromécanique entre ces deux domaines, nous avons étudié deux régions présumées responsables du couplage chez les canaux de type Shaker K+, soit la région carboxy-terminale du segment S6 et le lien peptidique reliant les segments transmembranaire S4-S5 (S4-5L). Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’interaction inter-sous-unitaire RELY, formée par des acides aminés situés sur le lien S4-5L et S6 de deux sous-unités voisines, est impliquée dans le développement de la composante lente observée lors du retour des charges de « gating » vers leur état de repos, le « OFF-gating ». Nous avons observé que l’introduction de mutations dans la région RELY module la force de ces interactions moléculaires et élimine l’asymétrie observée dans les courants de « gating » de type sauvage. D’ailleurs, nous démontrons que ce couplage inter-sous-unitaire est responsable de la stabilisation du pore dans l’état ouvert. Nous avons également identifié une interaction intra-sous-unitaire entre les résidus I384 situé sur le lien S4-5L et F484 sur le segment S6 d’une même sous-unité. La déstabilisation de cette interaction hydrophobique découple complètement le mouvement des senseurs de voltage et l'ouverture du pore. Sans cette interaction, l’énergie nécessaire pour activer les VS est moindre en raison de l’absence du poids mécanique appliqué par le pore. De plus, l’abolition du couplage électromécanique élimine également le « mode shift », soit le déplacement de la dépendance au voltage des charges de transfert (QV) vers des potentiels hyperpolarisants. Ceci indique que le poids mécanique du pore imposé au VS entraine le « mode shift », en modulant la conformation intrinsèque du VS par un processus allostérique.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Robotic multiwell planar patch-clamp for native and primary mammalian cells

Robotic multiwell planar patch-clamp has become common in drug development and safety programs because it enables efficient and systematic testing of compounds against ion channels during voltage-clamp. It has not, however, been adopted significantly in other important areas of ion channel research, where conventional patch-clamp remains the favored method. Here, we show the wider potential of the multiwell approach with the ability for efficient intracellular solution exchange, describing protocols and success rates for recording from a range of native and primary mammalian cells derived from blood vessels, arthritic joints and the immune and central nervous systems. The protocol involves preparing a suspension of single cells to be dispensed robotically into 4-8 microfluidic chambers each containing a glass chip with a small aperture. Under automated control, giga-seals and whole-cell access are achieved followed by preprogrammed routines of voltage paradigms and fast extracellular or intracellular solution exchange. Recording from 48 chambers usually takes 1-6 h depending on the experimental design and yields 16-33 cell recordings.

Voltage-gated potassium currents within the dorsal vagal nucleus: inhibition by BDS toxin

Voltage-gated potassium (Kv) channels are essential components of neuronal excitability. The Kv3.4 channel protein is widely distributed throughout the central nervous system (CNS), where it can form heteromeric or homomeric Kv3 channels. Electrophysiological studies reported here highlight a functional role for this channel protein within neurons of the dorsal vagal nucleus (DVN). Current clamp experiments revealed that blood depressing substance (BDS) and intracellular dialysis of an anti-Kv3.4 antibody prolonged the action potential duration. In addition, a BDS sensitive, voltage-dependent, slowly inactivating outward current was observed in voltage clamp recordings from DVN neurons. Electrical stimulation of the solitary tract evoked EPSPs and IPSPs in DVN neurons and BDS increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. This presynaptic modulation was action potential dependent as revealed by ongoing synaptic activity. Given the role of the Kv3 proteins in shaping neuronal excitability, these data highlight a role for homomeric Kv3.4 channels in spike timing and neurotransmitter release in low frequency firing neurons of the DVN.

Membrane voltage initiates Ca2+ waves and potentiates Ca2+ increases with abscisic acid in stomatal guard cells

In higher plants changes and oscillations in cytosolic free Ca2+ concentration ([Ca2+]i) are central to hormonal physiology, including that of abscisic acid (ABA), which signals conditions of water stress and alters ion channel activities in guard cells of higher-plant leaves. Such changes in [Ca2+]i are thought to encode for cellular responses to different stimuli, but their origins and functions are poorly understood. Because transients and oscillations in membrane voltage also occur in guard cells and are elicited by hormones, including ABA, we suspected a coupling of [Ca2+]i to voltage and its interaction with ABA. We recorded [Ca2+]i by Fura2 fluorescence ratio imaging and photometry while bringing membrane voltage under experimental control with a two-electrode voltage clamp in intact Vicia guard cells. Free-running oscillations between voltages near −50 mV and −200 mV were associated with oscillations in [Ca2+]i, and, under voltage clamp, equivalent membrane hyperpolarizations caused [Ca2+]i to increase, often in excess of 1 μM, from resting values near 100 nM. Image analysis showed that the voltage stimulus evoked a wave of high [Ca2+]i that spread centripetally from the peripheral cytoplasm within 5–10 s and relaxed over 40–60 s thereafter. The [Ca2+]i increases showed a voltage threshold near −120 mV and were sensitive to external Ca2+ concentration. Substituting Mn2+ for Ca2+ to quench Fura2 fluorescence showed that membrane hyperpolarization triggered a divalent influx. ABA affected the voltage threshold for the [Ca2+]i rise, its amplitude, and its duration. In turn, membrane voltage determined the ability of ABA to raise [Ca2+]i. These results demonstrate a capacity for voltage to evoke [Ca2+]i increases, they point to a dual interaction with ABA in triggering and propagating [Ca2+]i increases, and they implicate a role for voltage in “conditioning” [Ca2+]i signals that regulate ion channels for stomatal function.

Changes in voltage activation, Cs+ sensitivity, and ion permeability in H5 mutants of the plant K+ channel KAT1.

KAT1 is a voltage-dependent inward rectifying K+ channel cloned from the higher plant Arabidopsis thaliana [Anderson, J. A., Huprikar, S. S., Kochian, L. V., Lucas, W. J. & Gaber, R. F. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 3736-3740]. It is related to the Shaker superfamily of K+ channels characterized by six transmembrane spanning domains (S1-S6) and a putative pore-forming region between S5 and S6 (H5). The 115 region between Pro-247 and Pro-271 in KAT1 contains 14 additional amino acids when compared with Shaker [Aldrich, R. W. (1993) Nature (London) 362, 107-108]. We studied various point mutations introduced into H5 to determine whether voltage-dependent plant and animal K+ channels share similar pore structures. Through heterologous expression in Xenopus oocytes and voltage-clamp analysis combined with phenotypic analysis involving a potassium transport-defective Saccharomyces cerevisiae strain, we investigated the selectivity filter of the mutants and their susceptibility toward inhibition by cesium and calcium ions. With respect to electrophysiological properties, KAT1 mutants segregated into three groups: (i) wild-type-like channels, (ii) channels modified in selectivity and Cs+ or Ca2+ sensitivity, and (iii) a group that was additionally affected in its voltage dependence. Despite the additional 14 amino acids in H5, this motif in KAT1 is also involved in the formation of the ion-conducting pore because amino acid substitutions at Leu-251, Thr-256, Thr-259, and Thr-260 resulted in functional channels with modified ionic selectivity and inhibition. Creation of Ca2+ sensitivity and an increased susceptibility to Cs+ block through mutations within the narrow pore might indicate that both blockers move deeply into the channel. Furthermore, mutations close to the rim of the pore affecting the half-activation potential (U1/2) indicate that amino acids within the pore either interact with the voltage sensor or ion permeation feeds back on gating.

Block of voltage-gated potassium channels by Pacific ciguatoxin-1 contributes to increased neuronal excitability in rat sensory neurons

The present study investigated the actions of the polyether marine toxin Pacific ciguatoxin-1 (P-CTX-1) on neuronal excitability in rat dorsal root ganglion (DRG) neurons using patch-clamp recording techniques. Under current-clamp conditions, bath application of 2-20 nM P-CTX-1 caused a rapid, concentration-dependent depolarization of the resting membrane potential in neurons expressing tetrodotoxin (TTX)-sensitive voltage-gated sodium (Na-v,.) channels. This action was completely suppressed by the addition of 200 nM TTX to the external solution, indicating that this effect was mediated through TTX-sensitive Na-v channels. In addition, P-CTX-1 also prolonged action potential and afterhyperpolarization (AHP) duration. In a subpopulation of neurons, P-CTX-1 also produced tonic action potential firing, an effect that was not accompanied by significant oscillation of the resting membrane potential. Conversely, in neurons expressing TTX-resistant Na-v currents, P-CTX-1 failed to alter any parameter of neuronal excitability examined in this study. Under voltage-clamp conditions in rat DRG neurons, P-CTX-1 inhibited both delayed-rectifier and 'A-type' potassium currents in a dose-dependent manner, actions that Occurred in the absence of alterations to the voltage dependence of activation. These actions appear to underlie the prolongation of the action potential and AHP. and contribute to repetitive firing. These data indicate that a block of potassium channels contributes to the increase in neuronal excitability, associated with a modulation of Na-v. channel gating, observed clinically in response to ciguatera poisoning. (c) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.