Ion channels in the regulation of smooth muscle tone. Dr. Janos Pataricza Department of Pharmacology and Pharmacotherapy University of Szeged

Átírás

1 Ion channels in the regulation of smooth muscle tone Dr. Janos Pataricza Department of Pharmacology and Pharmacotherapy University of Szeged 29th of November, 2016

2 Content Regulation of smooth muscle contraction Some important ion channels and the tone of the smooth muscle K+ channels and vascular smooth muscle tone Cl- channels and vascular smooth muscle tone -Possible relationships among voltage-dependent Ca2+ channels, ryanodine-sensitive Ca2+release (RyR) channels, large-conductance Ca2+-sensitive K+ (BKCa) channels, and Ca2+- a activated Cl (ClCa) channels to regulate smooth muscle contractility Ion channels in bronchial smooth muscle cells Involvement of ion channels in the regulation of cholinergic excitation in gastrointestinal tract Ion channels in the urinary tract Ion channels in the regulation of uterinal smooth muscle tone -Strech-activated TREK-1, a type of two-pore K+ channels (K2P) also regulates myometrial tone -Pregnancy, hypoxia and K+ ion channels -Subfamily members of voltage dependent K+ channels (Kv7 and Kv11) in the regulation of uterinal tone Transient receptor potential channels (TRPC) in smooth muscle cells - link to intracellular signaling A crosstalk between the plasma membrane and sarcoplasmic reticulum involving Ca2+ and K+ channels in smooth muscle cells -Surface coupling between junctional sarcoplasmic reticulum (SR) and plasma membrane: leaflets of SR and cell membranes are separated by an 12- to 20-nm gap -Possible mechanisms of action of PKA/PKG and PKC on Ca2+sparks, BKCa channels, and SR Ca2+-ATPase in arterial smooth muscle cells Endothelial nitric oxide influence the tone through modulation of ion channels in smooth muscle cell of human umbilical artery Some basic properties of ionic regulation of smooth muscle tone Current research

3 Regulation of smooth muscle contraction Webb RC, Advan in Physiol Edu 2003;27:

4 Some important ion channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35: Inward rectifier K channel (KIR) ATP-sensitive K channel, (KATP), voltage dependent K channel (KV), big conductance calcium activated K channel (BKCa), store-operated calcium channel (SOCC), stretch-activated K channel (SACC), sarcoplasmic reticulum ryanodine-sensitive Ca++ channel (RyR)

5 K+ channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35:

6 Cl channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35:

7 Possible relationships among voltage-dependent Ca2+channels, ryanodinesensitive Ca2+-release (RyR) channels, large-conductance Ca2+-sensitive K+(BKCa) channels, and Ca2+-activated Cl (ClCa) channels to regulate smooth muscle contractility. JaggarJH et al., Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

8 Ion channels in bronchial smooth muscle cells Perez-Zoghbi JF et al, Pulm Pharmacol Ther ;22(5): Find: Receptor-operated Ca2+ influx or channels (ROC) Store-operated Ca2+ entry or channels (SOC) Calcium-activated potassium channels (KCa1.1, KCa3.1) Voltage-dependent Ca2+ channels (VDC) Stretch-activated channels (SA) are directly gated by physical stimuli

9 Involvement of ion channels in the regulation of cholinergic excitation in gastrointestinal tract Koh SD, Rhee PL J Neurogastroenterol Motil. 2013;19(4): Possible post-junctional mechanisms responsible for cholinergic excitation. Acetylcholine (ACh) is coupled to Gq/11 protein and activates conductance(s) through inositol 1,4,5-triphosphate receptor (IP3R) in interstitial cells of Cajal (ICC) and smooth muscle cells (SMC). ACh might also be coupled to G12/13 protein and activate Rho-Kinase (RhoK) pathway to induce contraction in SMC. ER, endoplasmic reticulum; PLC, phospholipase C; DAG, diacyl glycerol; PKC, protein kinase C; CaCC, Ca2+-activated Cl- channels; NSCC, non-selective cation channels; GJ, gap junction; MLCP, myosine light chain phosphatase.

10 Ion channels in the urinary tract Kyle BD,Channels (Austin). 2014;8(5): urinary bladder urethra KATP, ATP-sensitive K+ channel; BKCa, large conductance, Ca2+-activated K+ channel; Kv, voltage-gated K+ channel; K2P, 2-pore domain K+ channel; IKCa, intermediate conductance K+ channel; SKCa, small conductance K+ channel; VGCC, voltage-gated Ca2+ channel; CaCC, Ca2+-activated Cl channel.

11 Ion channels in the regulation of uterinal smooth muscle tone Brainard AM, Semin Cell Dev Biol. 2007;18(3): Big conductance calcium activated K+ channel (BKCa), small conductance calcium activated K+ channel (SK3), ATPsensitive K+ channel (KATP) as a subtype of inward rectifier K+ channels (Kir), voltage dependent K+ channel (Kv)

12 Strech-activated TREK-1, a type of two pore domain K+ channels (K2P) also regulates myometrial tone Buxton IL. et al, Acta Pharmacol Sin. 2011;32(6):758-64

13 Pregnancy, hypoxia and K+ ion channels Zhu R et al. Curr Vasc Pharmacol. 2013;11(5):

14 Subfamily members of voltage dependent K+ channels (Kv.7 and Kv.11) in the regulation of uterinal tone Greenwood IA, Tribe RM.Exp Physiol. 2014;99(3):503-9

15 Transient receptor potential channels (TRPC) in smooth muscle cells link to intracellular signaling Gonzalez-Cobos JC1, Trebak M, Front Biosci (Landmark Ed) Jun 1;15: phospholipase C (PLC), phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2), inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3), diacylglycerol (DAG), stromal interactive molecule (STIM1), store-operated channel (Orai1), transient receptor potential channel (TRPC), transcription factors: nuclear factor kappa B (NF-κB), activator protein-1 (AP-1), camp response element-binding protein (CREB)

16 Surface coupling between junctional sarcoplasmic reticulum (SR) and plasma membrane: leaflets of SR and cell membranes are separated by an 12- to 20-nm gap. Jaggar JH et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

17 A crosstalk between the plasma membrane and sarcoplasmic reticulum involving Ca2+ and K+ channels in smooth muscle cells Jaggar JH. et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

18 Possible mechanisms of action of PKA/PKG and PKC on Ca2+sparks, BKCa channels, and SR Ca2+-ATPase in arterial smooth muscle cells. Jaggar JH. et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

19 Endothelial nitric oxide influence the tone through modulation of ion channels in smooth muscle cell of human umbilical artery Martin P. et al., Reprod Sci April; 21(4): NO,nitric oxide; KV, voltage-dependent K+ channels (different subfamilies); BKCa, big conductance, voltageand Ca2+-sensitive K+ channel; SKCa, small conductance Ca2+-sensitive K+ channels; K2P, 2-pore domains K+ channels; KIR, inward rectifier K+ channels. Intermediate conductance Ca2+-sensitive K+ channels (IKCa), and ATP-sensitive K+ channels (KATP) are not include because the evidence about their presence in HUA is either weak (KATP) or altogether not present in the literature (IKCa). 1/ basal tone, 2/ agonist-induced contraction 3/ regulation by endothelium

20 Some basic properties of ionic regulation of smooth muscle tone Smooth muscle function is mainly regulated by the voltage operated (or dependent, or gated) calcium channels (VOCC or VDCC or VDC or VGCC) Typically, a large majority of other ion channels modulate membrane potential that regulates VOCC Most types of smooth muscle cells are electrically silent - in contrast to nerves or skeletal muscles-; no action potential is generated (resting membrane potential is about -50 mv) Ion channels maintain resting (basal) tension, modulate agonist-induced contractions and vasodilations by endothelial/interstitial cell-derived factors

21 Current research Research focuses mainly on K+ channels in the regulation of smooth muscle tone of different organs (vascular, bronchial, uterinal) an exception may be the gastrointestinal tract A typical ion channel is still considered to be a receptor without cellular effector, however, some ion channels reveal a complex interaction with intracellular signaling mechanisms. This crosstalk may lead to changes of cellular phenotype in addition to modify an immediate change in tone of smooth muscle cells (see TRPC channels)

22 Questions (answers) 1/ Which ion is mainly responsible for the contraction of a smooth muscle cell? (Ca++) 2/ List some important ion channels other than Ca2+ channel- that play roles in regulating the tone of smooth muscle cells! (K+ channels, Cl- channels, Store-operated channels, Stretch-activated channels) 3/ How K+ and Cl- channels regulate the tone of smooth muscle cells? (activation of K+ channels relaxes, that of Clchannels contracts smooth muscles via modulation of membrane potential) 4/ List some known common ion channels that regulate the tone of bronchial, urinary and uterinal smooth muscles! (Ca2+ channels, K+ channels, Store-operated channels, Stretch-activated channels)

23 (PKA and PKG activate, PKC inhibits) Questions (answers) 5/ Which ion channels appear to be important in cholinergic excitation of gastrointestinal smooth muscles? (Calciumactivated Cl- channels, Non-selective cation channels) 6/ What are K2P channels and which organs are known to be regulated by these channels? (urinary tract, uterus, arterial smooth muscle) 7/ How may pregnancy affect the function of K+ channels? (activates K+ channels relaxation of the uterus) 8/ What kind of K+ ion channel is involved in a crosstalk between plasma membrane and sarcoplasmic reticulum of smooth muscle cells? (BKCa) 9/ How do protein kinases influence K+ channels in smooth muscles according to our present knowledge?

24 Ioncsatornák a simaizom tónus szabályozásában Dr. Pataricza János Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet Szegedi Tudományegyetem november 30.

25 Tartalom A simaizom kontrakció szabályozása Néhány fontos ioncsatorna és a simaizom tónus K+ ioncsatornák és az ér simaizom tónusa Cl- ioncsatornák és a simaizom tónus -feltételezett összefüggés a feszültség-függő Ca2+ csatorna, a ryanodine-érzékeny Ca2+release (RyR) csatorna, a magas konduktanciájú Ca2+-szenzitív K+ (BKCa) csatorna és a Ca2+ aktiválta Cl (ClCa) csatorna között Ioncsatornák a hörgők simaizmában Ioncsatornák és a kolinerg excitáció a gasztrointesztinális rendszerben Ioncsatornák a húgyuti rendszerben Ioncsatornák az uterus simaizom tónusának szabályozásában - strech-aktiválta TREK-1: egy két pórus domainű K+ ioncsatorna (K2P) és a miometriális tónus - terhesség, hipoxia és K+ ioncsatornák - feszültség-függő K+ ioncsatornák alcsaládjai (Kv7 and Kv11) a miometriális tónus szabályozásában Transient receptor potential channels (TRPC) - kapcsolat a simaizom intracellularis effektoraival Crosstalk a plazma membrán és a szarkoplazmatikus retikulum Ca2+ és K+ csatornái között - morfológiai kapcsolat a szarkoplazmatikus retikulum és a plazma membrán között -PKA/PKG és PKC feltételezett hatása a Ca2+spark -okra, a BKCa csatornára és a szarkoplazmatikus retikulum Ca2+-ATP-áz enzimre arteriás simaizomban Endotheliális nitrogén monoxid ioncsatornák által is befolyásolja a humán umbilikális artéria tónusát Néhány általános jellemző az ioncsatornák simaizom tónusban betöltött szerepére vonatkozóan Jelen kutatási irányvonalak

26 A simaizom kontrakció főbb mechanizmusai Webb RC, Advan in Physiol Edu 2003;27:

27 Néhány fontos ioncsatorna a vaszkuláris simaizom tónus szabályozásában Jackson WF, Hypertension. 2000;35: Inward rectifier K+ csatorna (KIR), ATP-szenzitív K+ csatorna (KATP), feszültség-függő K+ csatorna (KV), nagy konduktanciájú kálcium aktiválta K+ csatorna (BKCa), store-operated Ca++ csatorna (SOCC), stretch-activated K+ csatorna (SACC), szarkoplazmás retikulum ryanodine-érzékeny Ca++ csatorna

28 K+ ioncsatornák és a vaszkuláris simaizom tónus Jackson WF, Hypertension. 2000;35:

29 Cl ioncsatornák és a vaszkuláris simaizom tónus Jackson WF, Hypertension. 2000;35:

30 Feltételezett összefüggés a feszültség-függő Ca2+ csatorna, a ryanodine-érzékeny Ca2+- release (RyR) csatorna, a nagy konduktanciájú Ca2+-aktiválta K+ (BKCa) csatorna és a Ca2+ aktiválta Cl (ClCa) csatorna között JaggarJH et al., Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

31 Ioncsatornák a hörgők simaizmában Perez-Zoghbi JF et al, Pulm Pharmacol Ther ;22(5): Receptor-operated Ca2+ influx vagy csatorna (ROC) Store-operated Ca2+ csatorna (SOC) Kalcium aktiválta K+ csatornák (KCa1.1, KCa3.1) Feszültség-függő Ca2+ csatornák (VDC) Stretch-activated csatorna (SA) szarkoplazmás retikulum ryanodine-érzékeny Ca++ csatorna (RyR) piros jelek a szarkoplazmatikus retikulumban: stromal interaktív molekula (STIM1)

32 Ioncsatornák és a kolinerg excitáció a gasztrointesztinális rendszerben Koh SD, Rhee PL J Neurogastroenterol Motil. 2013;19(4): acetilkolin (ACh), inozitol 1,4,5-trifoszfát receptor (IP3R),Cajal interstitialis sejt (ICC), simaizom sejt (SMC), Rho-kináz (RhoK), endoplazmás retikulum (ER), foszfolipáz C (PLC), diacilglicerol (DAG), protein kináz C (PKC), Kálcium aktiválta Cl- csatorna (CaCC), nem szelektív kation csatorna (NSCC), gap junction (GJ), miozin könnyű lánc foszfatáz (MLCP)

33 Ioncsatornák a húgyutakban Kyle BD,Channels (Austin). 2014;8(5): húgyhólyag urethra Hiperpolarizáló ion csatornák: ATP-szenzitív K+ csatorna (KATP) nagy konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatorna (BKCa) feszültség-függő K+ csatorna (Kv) két pórus domain-ű K+ csatorna (K2P) közepes konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatorna (IKCa) kis konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatorna (SKCa) Depolarizáló ion csatornák: feszültség-függő Ca++ csatorna (VGCC) ligand (ATP)-gated kation csatorna (2PX) Ca++ aktiválta klorid csatorna (CaCC)

34 Ioncsatornák a miometriális simaizom tónus szabályozásában Brainard AM, Semin Cell Dev Biol. 2007;18(3): Nagy konduktanciájú, Ca++ aktiválta K+ csatornai (BKCa), kis konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatornas (SK3), ATP-szenzitív K+ csatorna (KATP) mint az inward rectifier K+ csatorna egyik altípusa (Kir), feszültségfüggő K+ csatorna (Kv)

35 Strech-aktiválta TREK-1: egy két pórus domainű K+ ioncsatorna (K2P) méh simaizomból (terhességben up-regulálódik) Buxton IL. et al, Acta Pharmacol Sin. 2011;32(6): Aktiválja: arachidonsav (AA) glutathioniláció

36 Terhesség, hipoxia és K+ ioncsatornák Zhu R et al. Curr Vasc Pharmacol. 2013;11(5):

37 Feszültség-függő K+ ioncsatornák alcsaládjai (Kv.7 and Kv.11) a miometriális tónus szabályozásában Greenwood IA, Tribe RM.Exp Physiol. 2014;99(3):503-9

38 Transient receptor potential channels (TRPC) kapcsolat a simaizom intracellularis effektoraival Gonzalez-Cobos JC1, Trebak M, Front Biosci (Landmark Ed) Jun 1;15: foszfolipáz C (PLC), foszfatidilinozitol 4,5-bifoszfát (PIP2), inozitol 1,4,5-trifoszfát (IP3), diacilglicerol (DAG), stromal interaktív molekula (STIM1), store-operated csatorna (Orai1), transient receptor potential channel (TRPC), transzkripciós faktorok: nuclear factor kappa B (NF-κB), activator protein-1 (AP-1), camp response element-binding protein (CREB)

39 Morfológiai kapcsolat a szarkoplazmatikus retikulum és a plazma membrán között Jaggar JH et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

40 Crosstalk a plazma membrán és a szarkoplazmatikus retikulum Ca2+ és K+ csatornái között Jaggar JH. et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256 feszültség-függő Ca++ csatorna K+ csatorna ryanodine-érzékeny Ca++ csatorna szarkoplazmatikus retikulum Ca++ pumpa foszfolamban

41 PKA/PKG és PKC feltételezett hatása a Ca2+spark -okra, a BKCa csatornára és a szarkoplazmatikus retikulum Ca2+-ATP-áz enzimre arteriás simaizomban Jaggar JH. et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256 Ca++ aktiválta K+ csatorna ryanodine-érzékeny Ca++ csatorna feszültség-függő Ca++ csatorna foszfolamban

42 Endotheliális nitrogén monoxid ioncsatornák által is befolyásolja a humán umbilikális artéria tónusát Martin P. et al., Reprod Sci April; 21(4): / bazális tónus, 2/ agonista indukálta kontrakció 3/ endothelium általi szabályozás Nitrogén monoxid (NO), guanilil cikláz (GC), guanozin- trifoszfát (GTP), ciklikus guanozin-monofoszfát (GMPc), protein kináz G (PKG), feszültség-függő K+ csatorna (Kv), nagy konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatorna (BKCa), kis konduktanciájú Ca++ aktiválta K+ csatorna (SKCa), Inward rectifier K+ csatorna (Kir), két pórus-domainű K+ csatorna (K2P)

43 Néhány általános jellemzője az ioncsatornák általi simaizom tónus szabályozásnak A simaizom tónust elsődlegesen a feszültség függő kálcium csatornák befolyásolják (voltage operated or dependent or gated) rövidítések: VOCC or VDCC or VDC or VGCC Tipikusan a többi ioncsatorna a membránpotenciál változásán keresztül befolyásolja a feszültség-függő kálcium csatornákat A legtöbb símaizom elektromosan csendes, szemben az idegek vagy a harántcsíkolt izom ioncsatornáival, azaz akciós potenciál nem alakul ki Az ioncsatornák többsége a simaizom alaptónusát, az agonisták által kiváltott, időben elhúzódó tónust modulálja. Az erekben különösen az artériákban lokális mediátorok kontrakciós és relaxációs hatásait modulálják

44 Jelen kutatások A simaizom kontrakciós és relaxációs mechanizmusait moduláló ioncsatornák közül főként a sejtmembránt hiperpolarizáló K+ ioncsatornákat vizsgálják kivételnek tekinthető a gasztrointesztinális rendszer Egy típusos ioncsatornának nincs celluláris effektora a hatás a membránpotenciál változásának következménye. Újabban néhány ioncsatorna és a celluláris effektorok komplex interakcióját mutatták ki, mely nemcsak a simaizom tónus, hanem a sejt fenotípusának megváltozásában is szerepet játszhat (lásd TRPC ioncsatornák)

45 KÉRDÉSEK (válaszok) 1/ Melyik ion felelős elsődlegesen a simaizom kontrakcióért? (Ca++) 2/ Említsen meg néhány ioncsatornát - a kálcium csatornán kívül mely fontos szerepet tölt be a simaizom tónus regulációjában! (K+, Cl-, Store-operated, Stretch-activated csatornák) 3/ K+ és Cl- csatornák hogyan befolyásolják a simaizom tónust? (K+ csatorna aktiváció relaxál, Cl- csatorna aktiváció kontrahál a membránpotenciál módosítása révén) 4/ Említsen meg néhány olyan ioncsatornát, mely egyaránt szabályozza a hörgők, a húgyuti és a méhizom tónusát! (Ca2+ csatorna, K+ csatornák, Store-operated csatorna, Stretch-activated csatorna)

46 KÉRDÉSEK (válaszok) 5/ Mely ioncsatornák tűnnek fontosnak a gasztrointesztinális simaizom kolinerg excitációja során? (Kálcium aktiválta Cl- csatornák, Nem szelektív kation csatornák) 6/ Mit jelent a K2P csatorna és milyen szervek simaizmában vannak ismert módon jelen? (két pórus domainnal rendelkező ioncsatornák, húgyuti és uterus simaizom, artéria simaizma) 7/ Hogyan bfolyásolhatja a terhesség a K+ ioncsatornák funkcióját? (aktiválja a K+ csatornákat uterus relaxáció) 8/ Milyen típusú K+ ioncsatorna vesz részt a simaizom membrán és a szarkoplazmatikus retikulum közötti kapcsolatban ( crosstalk )? (BKCa) 9/ Jelen tudásunk szerint hogyan befolyásolják a protein kinázok a K+ ioncsatornák működését simaizomban? (PKA és PKG aktivál, PKC gátol)