Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4102
Ivanova, Elena N.
Systematic analysis of hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated (HCN) channels in photoreceptors and bipolar cells of the rat retina
VI, 95 S., 2003
Die Arbeit beschreibt die Verteilung und die funktionellen Eigenschaften
hyperpolarisationsaktivierter und zyklisch Nukleotid-gesteuerter (engl. hyperpolarizationactivated
and cyclic nucleotide-gated, HCN) Kanäle in der Rattenretina . Die Verteilung der vier
HCN-Kanal-Untereinheiten HCN1 - 4 wurde mittels Immunhistochemie mit
isoformspezifischen Antikörpern und Konfokaler Mikroskopie untersucht. In retinalen
Gewebsschnitten ( slices") wurden Nervenzellen im Ganzzellmodus der patch-clamp Technik
elektrophysiologisch abgeleitet . Dabei wurden die funktionellen Eigenschaften der HCN-Kanäle
in insgesamt 240 Bipolarzellen und 20 Photorezeptorzellen untersucht. Während der Ableitung
wurden die Zellen mit Lucifer Yellow gefüllt. Anhand morphologischer und
elektrophysiologischer Kriterien konnten die abgeleiteten und gefüllten Bipolarzellen in 11
Typen von Zapfenbipolarzellen und einen Typ von Stäbchenbipolarzelle eingeteilt werden. Zwei
der Zapfenbipolarzelltypen wurden erstmals beschrieben.
Sowohl immunhistochemisch als auch elektrophysiologisch wurde die Untereinheit HCN1 in
Zapfen und Stäbchen gefunden. Zapfen exprimieren auch HCN3 an der Basis des
Zapfenendfußes . Typ 3 Bipolarzellen exprimieren HCN4, Typ 5 und Typ 6a Bipolarzellen
HCN1 und HCN4 . Diese Isoformen wurden überall in der Zelle gefunden. HCN2 dagegen wurde
hoch konzentriert nur an den Axonterminalsystemen der Bipolarzelltypen 3, 5, 6, 7, 8 und 9
sowie der Stäbchenbipolarzelle lokalisiert. In den Bipolarzelltypen 1, 2 und 4 wurde keine HCNImmunreaktivität
beobachtet . In den elektrophysiologischen Ableitungen wurden die
Aktivierungskinetik der Kanäle und die Spannung halbmaximaler Aktivierung detailliert
untersucht . Die HCN-Kanäle der Bipolarzellen stimmten in ihren Eigenschaften meist gut mit
den entsprechenden Isoformen überein, die in HEK293 Zellen heterolog exprimiert wurden. Alle
HCN-Ströme wurden durch extern appliziertes Cäsium blockiert. Zapfen und die
Bipolarzelltypen 5 und 6a exprimierten mehr als eine HCN-Kanal-Isoform. Die
elektrophysiologische Untersuchung ergab allerdings keine Hinweise auf die Bildung
heterooligomerer Kanäle. In einigen Retinazelltypen unterschieden sich die funktionenellen
Eigenschaften der HCN-Kanäle von denen heterolog exprimierter Kanäle. Das könnte bedeuten,
dass HCN-Kanäle in der Retina moduliert werden. Vorläufige Experimente weisen darauf hin,
dass intrazelluläres Calcium und cAMP an dieser Modulation beteiligt sind.
Die weite Verbreitung der HCN-Kanäle in der Retina lässt vermuten, dass sie an mehreren
Stellen an der retinalen Informationsverarbeitung beteiligt sind. Ein besonders interessantes
Ergebnis ist die synaptische Lokalisation von HCN2 und HCN3 . Es könnte bedeuten, dass HCNKanäle
die synaptische Transmission regulieren.
Hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated (HCN) channels were studied in the
rat retina. The expression pattern of the four HCN channel isoforms HCN1 - 4 was studied
using immunocytochemistry with isoform-specific antibodies and confocal microscopy.
Using the patch-clamp technique, functional properties of HCN currents were recorded in 240
voltage-clamped bipolar cells and 20 photoreceptor cells in a retinal slice preparation. While
recording, cells were filled with Lucifer Yellow. On the basis of morphological and
electrophysiological criteria, recorded and filled bipolar cells could be classified as 11 types
of cone bipolar cells and one type of rod bipolar cell. Two of the cone bipolar cell types had
not been identified in previous studies.
Based on immunohistochemical and electrophysiological results, HCN1 was found in rod and
cone photoreceptors . Cones also expressed HCN3 at the cone pedicle base. Type 3 bipolar
cells expressed HCN4, type 5 and type 6a bipolar cells HCN1 and HCN4. These isoforms
were found throughout the bipolar cells. Strikingly, HCN2 was highly concentrated at the
axon terminal systems of type 3, 5, 6, 7, 8, and 9 cone bipolar cells and the rod bipolar cell.
No HCN immunoreactivity was found in type 1, 2, and 4 cone bipolar cells. In the
electrophysiological recordings, the activation kinetics and the mid-point potential of
activation were studied in detail. In general, the properties of HCN currents recorded from the
different bipolar cell types in the retinal slice agreed reasonably well with those of the
respective isoforms expressed heterologously in BEK293 cells. All HCN currents could be
blocked by application of external cesium. Cones and cone bipolar cells type 5 and 6a
expressed more than one HCN isoform, however, electrophysiologically, no evidence for the
formation of heterooligomeric channels was found. In some instances, functional properties of
HCN channels in retinal cells differed from those of the heterologously expressed channel
isoforms, indicating that the channels might be modulated in the retina. Preliminary
experiments suggest that intracellular calcium and CAMP might be involved in the modulation
ofthe channels.
The widespread expression ofHCN channels in the retina suggests that they are involved in
retinal information processing at several stages. The most striking feature of HCN channel
distribution was the synaptic localization of HCN2 and HCN3. This might indicate that the
channels are involved in regulation of synaptic transmission.
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