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Spannungs-aktivierte Kalziumkanäle (VGCCs) spielen eine essentielle Rolle in vielen verschiedenen physiologischen Prozessen unseres Körpers. Die Eigenschaften der zehn Kalziumkanal Isoformen sind für ihre jeweiligen Funktionen optimiert und sie unterscheiden sich daher in ihren Spannungs-abhängigkeit und Aktivierungsgeschwindigkeit. In dieser Dissertation untersuche ich die Eigenschaften der Spannungssensoren zweier unterschiedlicher Kalziumkanäle: Dem high-voltage activated CaV1.1 und dem low-voltage activated CaV3.3 Kanal. Beide bestehen aus vier homologen aber strukturell und funktionell unterschiedlichen Domänen, mit jeweils einem Spannungssensor (VSD, voltage-sensing domain) und einer Poren-domäne (PD). Was bestimmt die unterschiedlichen Eigenschaften der VSD und in welcher Weise tragen die PD zu den Öffnungs- und Verschluss-Eigenschaften der Kalziumkanäle bei? In den fünf Publikationen, welche dieser Dissertation zugrunde liegen, finden wir Antworten auf diese Fragen. Der Startpunkt für die Untersuchungen waren jüngste Befunde zum alternativen Splicing und molekulare Strukturmodelle der Kanäle, sowie Krankheitsvarianten eines der Kanäle. Als methodischen Ansatz verwendeten wir molekulare Struktur-Simulationen, Mutagenese-Experimente und elektrophysiologische Analysen. Die adulte Variante von CaV1.1 (CaV1.1a) ist bekannt für ihre schwachen und langsam aktivierenden Kalziumströme, wie auch für ihre geringe Spannungssensitvität. Die embryonale Variante (CaV1.1e) hingegen aktiviert bei wesentlich geringeren Veränderungen des Membranpotentials und leitet einen starken Kalziumstrom. Ionen-bindungen zwischen den Gatingcharges (positiv geladene Aminosäuren an denen das Membranpotential angreift) und negativ geladenen Countercharges sind für die Funktion der Spannungssensoren von zentraler Bedeutung. Solche Ionen-Bindungen in VSD IV bestimmen die Spannungsabhängigkeit von CaV1.1 in Abhängigkeit von der jeweiligen Splice-Variante. In den Studien I und II der Dissertatio, Voltage-gated calcium channels (VGCCs) are widely expressed in the body and play an essential role in many physiological processes. The ten different isoforms of the VGCC family are each fine-tuned to their distinct physiological function and thus differ greatly in their specific voltage sensing and gating characteristics. In this thesis, I studied the structure and function of voltage sensing mechanisms of two different voltage-gated calcium (CaV) channels; the high-voltage activated (HVA) L-type channel CaV1.1 and the low-voltage activated (LVA) T-type channel CaV3.3. CaV channels consist of four homologous but structurally and functionally distinct domains, each containing a voltage-sensing domain (VSD) and a pore domain (PD). What are the molecular determinants of the specific functional properties of each VSD, and how do PD structures contribute to the kinetics and voltage-dependence of the opening and closing of the channel? In the five publications underlying this thesis, we provide new answers to these questions, using lessons from alternative splicing, structure modelling, and disease mutations as starting points. In each study, we combined structure modelling with site-directed mutagenesis and patch-clamp analysis. The adult splice variant of CaV1.1 (CaV1.1a) is notorious for its slow and small calcium currents and poor voltage-sensitivity, whereas the embryonic splice variant conducts much bigger currents and activates at hyperpolarized membrane potentials. Ionic interactions between positive gating charges and negative countercharges are known to be important for voltage sensing, within VSD IV specific gating charges have been discovered that regulate voltage-dependence of CaV1.1 in a splice-dependent manner. In study I and II we found similar gating charge interactions in VSD I that regulate voltage-dependence of CaV1.1, and discovered for the first time specific gating charge interactions in VSD I that control the characteristically slow activation kin, Yousra El Ghaleb, Im Titel und in den Artikeln ist v tiefgestellt, Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers, Kumulative Dissertation aus fünf Artikeln, Dissertation Medical University Innsbruck 2021

Spannungs-aktivierte Kalziumkanäle (VGCCs) spielen eine essentielle Rolle in vielen verschiedenen physiologischen Prozessen unseres Körpers. Die Eigenschaften der zehn Kalziumkanal Isoformen sind für ihre jeweiligen Funktionen optimiert und sie unterscheiden sich daher in ihren Spannungs-abhängigkeit und Aktivierungsgeschwindigkeit. In dieser Dissertation untersuche ich die Eigenschaften der Spannungssensoren zweier unterschiedlicher Kalziumkanäle: Dem high-voltage activated CaV1.1 und dem low-voltage activated CaV3.3 Kanal. Beide bestehen aus vier homologen aber strukturell und funktionell unterschiedlichen Domänen, mit jeweils einem Spannungssensor (VSD, voltage-sensing domain) und einer Poren-domäne (PD). Was bestimmt die unterschiedlichen Eigenschaften der VSD und in welcher Weise tragen die PD zu den Öffnungs- und Verschluss-Eigenschaften der Kalziumkanäle bei? In den fünf Publikationen, welche dieser Dissertation zugrunde liegen, finden wir Antworten auf diese Fragen. Der Startpunkt für die Untersuchungen waren jüngste Befunde zum alternativen Splicing und molekulare Strukturmodelle der Kanäle, sowie Krankheitsvarianten eines der Kanäle. Als methodischen Ansatz verwendeten wir molekulare Struktur-Simulationen, Mutagenese-Experimente und elektrophysiologische Analysen. Die adulte Variante von CaV1.1 (CaV1.1a) ist bekannt für ihre schwachen und langsam aktivierenden Kalziumströme, wie auch für ihre geringe Spannungssensitvität. Die embryonale Variante (CaV1.1e) hingegen aktiviert bei wesentlich geringeren Veränderungen des Membranpotentials und leitet einen starken Kalziumstrom. Ionen-bindungen zwischen den Gatingcharges (positiv geladene Aminosäuren an denen das Membranpotential angreift) und negativ geladenen Countercharges sind für die Funktion der Spannungssensoren von zentraler Bedeutung. Solche Ionen-Bindungen in VSD IV bestimmen die Spannungsabhängigkeit von CaV1.1 in Abhängigkeit von der jeweiligen Splice-Variante. In den Studien I und II der Dissertatio, Voltage-gated calcium channels (VGCCs) are widely expressed in the body and play an essential role in many physiological processes. The ten different isoforms of the VGCC family are each fine-tuned to their distinct physiological function and thus differ greatly in their specific voltage sensing and gating characteristics. In this thesis, I studied the structure and function of voltage sensing mechanisms of two different voltage-gated calcium (CaV) channels; the high-voltage activated (HVA) L-type channel CaV1.1 and the low-voltage activated (LVA) T-type channel CaV3.3. CaV channels consist of four homologous but structurally and functionally distinct domains, each containing a voltage-sensing domain (VSD) and a pore domain (PD). What are the molecular determinants of the specific functional properties of each VSD, and how do PD structures contribute to the kinetics and voltage-dependence of the opening and closing of the channel? In the five publications underlying this thesis, we provide new answers to these questions, using lessons from alternative splicing, structure modelling, and disease mutations as starting points. In each study, we combined structure modelling with site-directed mutagenesis and patch-clamp analysis. The adult splice variant of CaV1.1 (CaV1.1a) is notorious for its slow and small calcium currents and poor voltage-sensitivity, whereas the embryonic splice variant conducts much bigger currents and activates at hyperpolarized membrane potentials. Ionic interactions between positive gating charges and negative countercharges are known to be important for voltage sensing, within VSD IV specific gating charges have been discovered that regulate voltage-dependence of CaV1.1 in a splice-dependent manner. In study I and II we found similar gating charge interactions in VSD I that regulate voltage-dependence of CaV1.1, and discovered for the first time specific gating charge interactions in VSD I that control the characteristically slow activation kin, Yousra El Ghaleb, Im Titel und in den Artikeln ist v tiefgestellt, Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers, Kumulative Dissertation aus fünf Artikeln, Dissertation Medical University Innsbruck 2021