Characterization of the human cardiac KV1.5 channelosome: role of KChIP2

Abstract

The normal electrophysiological behaviour of the heart is determined by the ordered propagation of action potentials (APs) and abnormalities in their generation, propagation or duration are the basis of cardiac arrhythmias. Voltage-gated K+ channels (KV) control the repolarization of the cardiac AP. Among them, KV1.5 channels are responsible for the ultrarapid outward potassium current (IKur), involved in atrial repolarization. KV1.5 dysfunction is a common feature in diseases such as atrial fibrillation (AF) and hence these channels represent a potential pharmacological target for the development of drugs useful in the treatment of supraventricular arrhythmias. KV1.5 channels interact with several regulatory subunits, generating macromolecular signalling complexes or channelosomes conformed by, at least, KVβ1.3, RACK1, PKCβI, PKCβII, and PKCθ in HEK293 cells. KChIP2 is a cytoplasmic protein that belongs to the neuronal Ca2+ sensor family. In the human heart, KV4.3 together with KChIP2 generate the transient outward K+ current (Ito), implicated also in cardiac repolarization. In this Doctoral Thesis, we have demonstrated that KV1.5 physically interacts with KChIP2 through, at least, the KV1.5 N-terminal. Moreover, KChIP2 reduces KV1.5 currents due to a decrease in KV1.5 membrane protein in the presence of KChIP2. KChIP2 accelerates activation, inactivation, and deactivation processes in KV1.5 currents without altering its voltage-dependent characteristics. We also found that KV1.5 and KChIP2 protein expression was reduced in human cardiac samples from patients with AF. IQM-266, a KChIP2 ligand, inhibits the current generated by the activation of KV1.5 and KV1.5/KChIP2 channels and, at low concentrations, the blockade seems to be KChIP2-selective. IQM-266 blocks KV1.5 and KV1.5/KChIP2 channels in a concentration-, time-, voltage-, use- and statedependent manner, being the effects consistent with an open channel block mechanism. Finally, we have demonstrated that KV1.5 and KV4.3 are able to indirectly interact. Proteomics studies have revealed that several chaperone proteins, including Hsp70, Hsp90 and even the previously characterised KV1.5 interactor RACK1 could be implicated in KV1.5/KV4.3 interaction. These results enable us to propose the existence of a new cardiac channelosome that encompasses KV1.5 and KV4.3, principal contributors of atrial repolarization. This Doctoral Thesis provides insight into the KChIP2-mediated modulation of KV1.5 channels and the possible role of KChIP2 as a target in the development of new strategies to fight AF. This work encourages the idea that KV channels take part in channelosomes that fine-tuned modulate their biophysical properties and trafficking and, in turn, impact cardiac function

El funcionamiento del corazón está determinado por la propagación ordenada de los potenciales de acción (PA). Alteraciones en su génesis, propagación o duración constituyen la base de la aparición de arritmias cardíacas. Los canales de K+ activados por voltaje (KV) controlan el proceso de repolarización del PA cardíaco. Entre ellos, los canales KV1.5 son los responsables de la corriente de salida ultrarrápida de potasio (IKur), implicada en la repolarización auricular. La disfunción de estos canales es una característica común en enfermedades como la fibrilación auricular (FA), razón por la cual representan una diana farmacológica potencial para el desarrollo de fármacos útiles en el tratamiento de arritmias supraventriculares. Los canales KV1.5 interaccionan con diversas subunidades reguladoras, generando complejos de señalización o canalosomas conformados por, al menos, KVβ1.3, RACK1, PKCβI, PKCβII y PKCθ. KChIP2 es una proteína citoplasmática que pertenece a la familia de los sensores neuronales de Ca2+. En el corazón humano, KV4.3 interacciona con KChIP2 para generar la corriente transitoria de salida de K+ (Ito), involucrada en la fase de repolarización auricular. En esta Tesis Doctoral, hemos demostrado que los canales KV1.5 interactúan físicamente con KChIP2 mediante, al menos, el extremo N-terminal de KV1.5. Además, KChIP2 reduce las corrientes generadas por KV1.5 debido a una disminución de los niveles de KV1.5 en la membrana plasmática en presencia de KChIP2. KChIP2 aceleró las cinéticas de los procesos de activación, inactivación y deactivación sin alterar las características dependientes de voltaje de los canales KV1.5. Además, la expresión de las proteínas KV1.5 y KChIP2 se encuentra reducida en muestras cardíacas humanas de pacientes con FA. IQM- 266, un ligando de KChIP2, inhibe la corriente KV1.5 y KV1.5/KChIP2, produciendo un bloqueo a bajas concentraciones mayor cuando KChIP2 está presente. Dicho bloqueo es dependiente de concentración, tiempo, voltaje, uso y estado, siendo consistente con un mecanismo de bloqueo del estado abierto del canal. Finalmente, hemos demostrado que KV1.5 y KV4.3 son capaces de interaccionar indirectamente. El estudio proteómico llevado a cabo reveló varias proteínas chaperonas, entre ellas Hsp70, Hsp90 e incluso la proteína previamente identificada como interactor de KV1.5 RACK1, que podrían estar implicadas en la interacción KV1.5/KV4.3. Estos resultados nos permiten proponer que existe un nuevo canalosoma cardíaco que engloba a KV1.5 y KV4.3, principales contribuyentes en el proceso de repolarización auricular. Esta Tesis Doctoral proporciona una visión global de la modulación mediada por KChIP2 sobre los canales KV1.5 y el papel posible de KChIP2 como diana en el desarrollo de nuevas estrategias para combatir la FA. Este trabajo fomenta la idea de que los canales KV forman parte de canalosomas que modulan con precisión sus propiedades biofísicas y su tráfico y, a su vez, repercuten en la función cardíaca