German Title: Erzeugung und Charakterisierung von TASK-3 Knockout-Mäusen

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Abstract

Excitable cells use specific combinations of ion channels in order to set their electrical properties. The recent discovery of the two pore domain potassium channels (K2P) revealed the molecular substrates for resting K+ currents in neuronal cells. To date fifteen members of the K2P family, grouped into six distinct subfamilies (TWIK, THIK, TREK, TASK, TALK and TRESK) have been identified and characterized, some of them being highly expressed in the central and peripheral nervous system. K2P channels generate leak K+ currents which contribute to the resting membrane potential and play important roles in modulating neuronal excitability. K2P subunits can assemble as homodimers or heterodimers when coexpressed in neurons. There are no pharmacological agents that selectively block the K2P channel subtypes. Thus, it is difficult to dissect their contribution to the leak K+ background current. The TASK (TWIK-related acid-sensitive K+ channel) subfamily consists of TASK-1, TASK-3 and the non-functional TASK-5 channels. TASK-1 and TASK-3 channels are expressed in the brain, can sense physiologically relevant changes in extracellular pH and are modulated by neurotransmitters. In this thesis I analyzed the expression of TASK-1 and TASK-3 genes in the adult mouse brain. The TASK-1 gene has a restricted expression pattern, with highest level in cerebellar granule cells whereasTASK-3 gene has a strong expression in all brain regions. To understand the role of TASK-3 in the K+ leak conductance and in neuronal excitability I generated TASK-3 knockout mice and undertook some analysis of their phenotype. The K+ leak current of cerebellar granule cells was reduced to 50% and granule cells fired fewer action potentials in response to current injection. Despite these strong changes on the electrophysiological level, the motor behaviour of the TASK-3 knockout mice was unchanged, indicating possible compensatory mechanisms. The TASK-3 knockout mice will be useful for investigating: the contribution of TASK-3 channels to the leak currents in particular neuronal cell types (e.g. cerebellar granule cells, thalamic relay cells), the heteromeric assembly between TASK-1 and TASK-3 subunits in vivo, the involvement of TASK-3 channels in thalamocortical relay neurons in initiating arousal, their contribution to the anesthesia produced by inhalational anesthetics, their role in regulating apoptosis in developing cerebellar granule cells, their possible role in protection from brain ischemia, their contribution to homeostatic plasticity in cerebellar granule cells and their contribution to blood pressure regulation and blood oxygen sensing.

Translation of abstract (German)

Die elektrischen Eigenschaften erregbarer Zellen werden maßgeblich durch die spezifische Kombination von Ionenkanälen bestimmt. Zwei-Porendomänen-Kaliumkanäle (K2P) konnten vor kurzem als molekulare Korrelate der K+ -Leckleitfähigkeit in Nervenzellen identifiziert werden. Die fünfzehn bis heute identifizierten Mitglieder der K2P-Familie können in sechs verschiedenen Subfamilien zusammengefasst werden (TWIK, THIK, TREK, TASK, TALK und TRESK). Einige Mitglieder dieser Familie zeigen eine hohe Expression im zentralen und peripheren Nervensystem. Die von K2P-Kanälen erzeugte K+ -Leckleitfähigkeit beeinflusst das Ruhemembranpotential und moduliert die Erregbarkeit neuronaler Zellen. Nach Koexpression in Neuronen können K2P-Untereinheiten Homo- und Heterodimere formen. Da keine spezifischen Substanzen zur pharmakologischen Blockade von verschiedenen K2P-Kanalsubtypen existieren, ist die Bedeutung dieser Subtypen für die Entstehung der K+ -Leckleitfähigkeit bis heute unklar. Die TASK (TWIK-related acid-sensitive K+ channel) Subfamilie besteht aus TASK-1, TASK-3 und dem nicht funktionalen TASK-5. TASK-1 und TASK-3 werden im Gehirn exprimiert, sind pH-sensitiv und werden durch verschiedene Neurotransmitter in ihrer Funktion moduliert. Im Rahmen dieser Doktorarbeit habe ich die Expression von TASK-1 und TASK-3 im Hirn der adulten Maus untersucht. Die Expression von TASK-1 war auf wenige Regionen beschränkt und zeigte die höchsten Expressionsspiegel in den Körnerzellen des Kleinhirns. TASK-3 dagegen zeigte in allen Hirnregionen eine starke Expression. Um die Bedeutung von TASK-3 für die Entstehung der K+ -Leckleitfähigkeit und neuronale Erregbarkeit zu untersuchen, habe ich TASK-3 Knockout-Mäuse generiert. In den zerebellären Körnerzellen dieser Mäuse zeigte sich eine Reduktion der K+ -Leckleitfähigkeit um 50% sowie eine verminderte Zahl an Aktionspotentialen nach Strominjektion. Trotz dieser deutlichen Effekte auf elektrophysiologischer Ebene waren die TASK-3 Knockout-Mäuse in verschiedenen Verhaltenstests unauffällig, was auf mögliche kompensatorische Mechanismen hinweist. Mit Hilfe dieser Mäuse sollen die folgenden Fragen untersucht werden: Welche Rolle spielt TASK-3 für die K+ -Leckleitfähigkeit in verschiedenen Nervenzelltypen (z. B. Körnerzellen des Kleinhirns, Relaiszellen des Thalamus)? Bilden TASK-1 und TASK-3 Heterodimere in vivo? Ist TASK-3 in thalamokortikalen Relaisneuronen für die Weckreaktion wichtig? Welche Rolle spielt TASK-3 bei der Anästhesie mittels inhalativer Anästhetika? Kontrolliert TASK-3 die Apoptose zerebellärer Körnerzellen während der Entwicklung? Hat TASK-3 eine protektive Funktion im Rahmen zerebraler Ischämien? Welchen Beitrag leistet TASK-3 zur homeostatischen Plastizität zerebellärer Körnerzellen? Welche Rolle spielt TASK-3 bei der Blutdruckregulation und der Regulation des Blutsauerstoffs?