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Der durch KCNQ (Kv7) Kanäle vermittelte M-Strom spielt eine wichtige Rolle für elektrische Eigenschaften von Zellen. Als intrinsische Spannungsklemme stabilisieren KCNQ Kanäle demnach das Ruhemembranpotential und verhindern Übererregbarkeit, wie Epilepsie-verursachende Mutationen in den humanen Genen für KCNQ2 und KCNQ3 verdeutlichen. Neben der Expression im Gehirn konnten die neuronalen KCNQ Ionenkanäle 2 – 5 auch im somatosensorischen System nachgewiesen werden. Hier wurden in vorangegangenen Arbeiten KCNQ2, -3 und -5 bereits mit Schmerzempfindung assoziiert, während KCNQ4 Expression in einer bestimmten Unterpopulation von Spinalganglien Neuronen identifiziert werden konnte. In diesen sogenannten schnell-adaptierenden niedrig-schwelligen Aβ- Fasern ist KCNQ4 an der Perzeption taktiler Vibrationsstimuli beteiligt. Darüber hinaus wurde durch pharmakologische Versuche die Expression von KCNQ Kanälen in Aδ niedrig-schwelligen D-Haar Fasern gezeigt. Nichtsdestotrotz konnte die in diesen Fasern exprimierte KCNQ Untereinheit bisher noch nicht identifiziert werden. Die Identifikation der exprimierten KCNQ Untereinheit(en) in D-Haar Fasern erfolgte hier mit Hilfe der elektrophysiologischen Haut-Nerv Präparation, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit in unserem Labor etabliert wurde. Die Generierung eines konstitutiven KCNQ5 knock-out Mausmodells diente zusammen mit weiteren KCNQ Mausmodellen der eingehenden Erforschung der KCNQ Expression im somatosensorischen System. Ich konnte die Lokalisation sowohl von KCNQ2 als auch -3 in D-Haar Aδ-Fasern von Spinalganglien zeigen. Ferner konnte ich die Expression von KCNQ3 in der Haut in peripheren lanzettförmigen Nervenendigungen kutaner D-Haar Rezeptorfasern um Haar- follikel beschreiben, wo KCNQ3 an der Modulierung der Mechanotransduktion beteiligt sein könnte. In der Tat wiesen D-Haar Fasern von Kcnq3-/- Mäusen in der Haut-Nerv Präparation eine erhöhte Feuerfrequenz als Reaktion auf mechanische Stimulation des rezeptiven Feldes auf. Dieser Effekt trat insbesondere bei langsamen Stimulationsgeschwindigkeiten hervor. Die zusätzliche Verminderung der KCNQ2 Protein Menge in Kcnq2+/-/Kcnq3-/- Mäusen führte zu einer weiteren Verstärkung des D-Haar Feuerns. Zusammengefasst lassen diese Ergebnisse ein Bild entstehen, in dem KCNQ3 und KCNQ2 die Mechanosensitivität von D-Haar Fasern direkt an ihren jeweiligen peripheren Nervenendigungen zu modulieren vermag., M-current mediating KCNQ (Kv7) potassium channels play an important role for electrical properties of neuronal cells. They serve as an intrinsic voltage clamp mechanism by stabilizing the neuron's membrane resting potential and preventing overexcitability, as highlighted by human mutations in genes for KCNQ2 and KCNQ3 that underlie certain forms of epilepsy. Besides their expression in the brain, neuronal KCNQ subunits 2 – 5 are also found in the somatosensory system. Here, KCNQ2, -3 and -5 have previously been associated with nociception, while KCNQ4 expression was identified in a subset of dorsal root ganglia (DRG) neurons that correspond to rapidly-adapting low-threshold Aβ-fibers. Thus, KCNQ4 was shown to be required for tuning the coding of vibrotactile stimuli. In addition, expression of KCNQ channels has been pharmacologically described in Aδ low-threshold D-hair fibers; however the KCNQ subunit has not been identified so far. In order to find out about the KCNQ subunit(s) in D-hair fibers, the electrophysiological skin-nerve preparation method was established in our lab. A constitutive KCNQ5 knock-out mouse model was generated and investigated together with several other KCNQ mouse models for a detailed analysis of KCNQ subunit expression in the somatosensory system. I detected and localized both KCNQ2 and -3 in DRG cells positive for D-hair marker, and demonstrated KCNQ3 expression in peripheral lanceolate nerve endings of cutaneous D-hair fibers around hair follicles, where it may modulate mechanotransduction. Indeed, skin-nerve recordings from single D-hair afferents from Kcnq3-/- mice revealed increased firing frequencies in response to mechanical ramp-and-hold stimuli of the receptive field, particularly pronounced at slow indentation velocities. Additional reduction of KCNQ2 protein in Kcnq2+/-/Kcnq3-/- mice further enhanced D-hair firing. Thus, we conclude that mechanosensitivity of D-hair fibers is directly modulated at their peripheral nerve endings by both KCNQ3 and KCNQ2.

Die α-Untereinheiten der humanen, spannungsabhängigen KCNQ-Familie bilden wie alle Kaliumkanäle ein Tetramer aus, dessen korrekte Assemblierung von grundlegender Bedeutung für dessen Funktionalität ist. Dabei können die verschiedenen Familienmitglieder Homo- oder Heteromere ausbilden, dessen Spezifität vermutlich von der unter­ein­heiten­spezifischen Wechselwirkungsdomäne (si-Domäne) kontrolliert wird. In der vorliegenden Arbeit konnte die vorhergesagte Struktur der si-Domäne experimentell be­stätigt werden. Diese bestand aus zwei α-helikalen TCC-Domänen, welche über eine flexible Schleife miteinander verbunden sind. Die TCC-Domänen konnten unabhängig von­ein­an­der parallele coiled-coil Bündel bilden. Es ergab sich somit insgesamt eine doppelte coiled-coil Struktur. Die isolierte si-Domäne von KCNQ2 bildete ein stabiles Tetramer aus, während die si-Domäne von KCNQ3 zeitabhängig Dimere und Tetramere ausbildete. Dieses und andere Ergebnisse unterstützten dabei den postulierten Mechanismus der Dimerisierung von Dimeren zur Bildung der tetrameren KCNQ-Kanäle. In der vorliegenden Arbeit konnten auch Unterschiede zwischen den Assemblierungs­eigen­schaf­ten der isolierten si- und TCC-Domänen gegenüber deren Bedeutung im vollständigen Kanal aufgezeigt werden. Während die TCC2-Domänen von KCNQ2 und KCNQ3 für die Homo­merisierung der Kanäle nicht benötigt wird (Schwake et al., 2006), war eine intakte TCC2-Domäne für die Tetramerisierung der isolierten si-Domänen ausreichend. Eine Inter­ak­tion der TCC1- mit der TCC2-Domäne konnte dabei nicht gezeigt werden. Die isolierten si-Domänen von KCNQ2 und KCNQ3 zeigten verschiedene Hinweise auf eine Hetero­­tetramerisierung miteinander, wobei die heteromeren Spezies noch nicht abschließend isoliert werden konnten. Heteromere KCNQ2/KCNQ3-Kanäle verursachen einen Teil des physiologisch bedeutenden M-Stromes im Gehirn. In der vorliegenden Arbeit wurden drei Bereiche in KCNQ2 und KCNQ3 identifiziert, denen dabei eine Bedeutung bei der Assemblierung homo- und heteromerer Kanäle zukommen könnte. Für KCNE-Proteine, als β-Untereinheiten der KCNQ-Kanäle, wurden ferner coiled-coil Domänen vorhergesagt, über deren Bedeutung bisher keine Erkenntnisse vorliegen. Eine funktionelle Untersuchung dieser neu entdeckten Struktur und ihrer potenziellen Interaktion mit KCNQ α-Untereinheiten wird sicherlich Teil der weiteren Forschung werden. The α-subunits of the human voltage-gated KCNQ family form tetramers, like all other potassium channels do. Their precise assembly is the basis for their functionality. The different family members can be composed of homotetramers and heterotetramers, which specificity is probably determined by the subunit interaction domain (si domain). In the present thesis the predicted structure of the si domain could be confirmed. It contains two α-helical TCC domains, which are connected by a flexible loop. The TCC domains can form parallel coiled-coil bundles independently from each other. Therefore a tandem coiled-coil structure occurs. The isolated si domain of KCNQ2 assembles as stable tetramers, whereas the isolated si domain of KCNQ3 forms dimers and tetramers in a time dependent manner. This result and other findings support the postulated mechanism of dimerisation of dimers for the assembly of tetrameric KCNQ channels. However, differences in the assembly of the isolated si domains and TCC domains regarding their properties in the full-length channels could also be detected. Whereas the TCC2 domain is dispensable for the homomerisation of KCNQ2 and KCNQ3 (Schwake et al., 2006), an intact TCC2 domain was sufficient for the tetramerisation of the isolated si domains. There­by an interaction between the TCC1 and TCC2 domain could not be demonstrated. The isolated si domains of KCNQ2 and KCNQ3 gave several hints indicating that they may undergo heteromerisation, unfortunately the heteromeric species itself could not be isolated. Heteromeric KCNQ2/KCNQ3 channels are known to generate part of the physiologically important M current in the brain. In the present thesis three regions in KCNQ2 and KCNQ3 could be localised which might influence the assembly of homo- and heteromeric channels. Sequences analysis of KCNE proteins predicted coiled-coil domains for these β-subunits of KCNQ channels. So far nothing is known about the function of their coiled-coil domains. Further investigation of this newly depicted structure and their potential interaction with KCNQ α-subunits should be part of ongoing research.