Ion channels in the regulation of smooth muscle tone

Dr. Janos Pataricza

Department of Pharmacology and Pharmacotherapy

University of Szeged

29th of November, 2016

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

Regulation of smooth muscle contraction Webb RC, Advan in Physiol Edu 2003;27:201-206

Some important ion channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

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)

K+ channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

Cl− channels and vascular smooth muscle tone Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

Possible relationships among voltage-dependent Ca2+channels, ryanodine-sensitive 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

Ion channels in bronchial smooth muscle cells Perez-Zoghbi JF et al, Pulm Pharmacol Ther. 2009 ;22(5):388-97

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

Involvement of ion channels in the regulation of cholinergic

excitation in gastrointestinal tract

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.

Koh SD, Rhee PL J Neurogastroenterol Motil. 2013;19(4):426-32.

Ion channels in the urinary tract

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.

Kyle BD,Channels (Austin). 2014;8(5):393-401

urinary bladder

urethra

Ion channels in the regulation of uterinal smooth muscle tone

Brainard AM, Semin Cell Dev Biol. 2007;18(3):332-9.

Big conductance calcium activated K+ channel (BKCa), small conductance calcium activated K+ channel (SK3), ATP-

sensitive K+ channel (KATP) as a subtype of inward rectifier K+ channels (Kir), voltage dependent K+ channel (Kv)

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

Pregnancy, hypoxia and K+ ion channels

Zhu R et al. Curr Vasc Pharmacol. 2013;11(5):737-47.

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

Transient receptor potential channels (TRPC) in smooth

muscle cells – link to intracellular signaling

Gonzalez-Cobos JC1, Trebak M, Front Biosci (Landmark Ed). 2010 Jun 1;15:1023-3

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)

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

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

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

Endothelial nitric oxide influence the tone through modulation

of ion channels in smooth muscle cell of human umbilical artery

NO,nitric oxide; KV, voltage-dependent K+ channels (different subfamilies); BKCa, big conductance, voltage-

and 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

Martin P. et al., Reprod Sci. 2014 April; 21(4): 432–441.

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

Some basic properties of ionic regulation of smooth

muscle tone

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)

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 Cl-

channels 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)

Questions (answers)

5/ Which ion channels appear to be important in cholinergic

excitation of gastrointestinal smooth muscles? (Calcium-

activated 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?

(PKA and PKG activate, PKC inhibits)

Ioncsatornák a simaizom tónus szabályozásában

Dr. Pataricza János

Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet

Szegedi Tudományegyetem

2016. november 30.

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

A simaizom kontrakció főbb mechanizmusai Webb RC, Advan in Physiol Edu 2003;27:201-206

Néhány fontos ioncsatorna a vaszkuláris simaizom tónus

szabályozásában Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

‘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

K+ ioncsatornák és a vaszkuláris simaizom tónus Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

Cl− ioncsatornák és a vaszkuláris simaizom tónus Jackson WF, Hypertension. 2000;35:173-178

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

Ioncsatornák a hörgők simaizmában Perez-Zoghbi JF et al, Pulm Pharmacol Ther. 2009 ;22(5):388-97

‘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)

Ioncsatornák és a kolinerg excitáció a gasztrointesztinális

rendszerben

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)

Koh SD, Rhee PL J Neurogastroenterol Motil. 2013;19(4):426-32.

Ioncsatornák a húgyutakban

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)

Kyle BD,Channels (Austin). 2014;8(5):393-401

húgyhólyag

urethra

Ioncsatornák a miometriális simaizom tónus szabályozásában

Brainard AM, Semin Cell Dev Biol. 2007;18(3):332-9.

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), feszültség-

függő K+ csatorna (Kv)

‘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):758-64

Aktiválja:

arachidonsav (AA)

glutathioniláció

Terhesség, hipoxia és K+ ioncsatornák

Zhu R et al. Curr Vasc Pharmacol. 2013;11(5):737-47.

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

‘Transient receptor potential channels’(TRPC) – kapcsolat

a simaizom intracellularis effektoraival

Gonzalez-Cobos JC1, Trebak M, Front Biosci (Landmark Ed). 2010 Jun 1;15:1023-3

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)

Morfológiai kapcsolat a szarkoplazmatikus retikulum és a

plazma membrán között Jaggar JH et al. Am J Physiol Cell Physiol 2000;278:C235-C256

‘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

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

Endotheliális nitrogén monoxid ioncsatornák által is

befolyásolja a humán umbilikális artéria tónusát

1/ 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)

Martin P. et al., Reprod Sci. 2014 April; 21(4): 432–441.

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

Néhány általános jellemzője az ioncsatornák általi

simaizom tónus szabályozásnak

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)

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)

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)