Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Forskere opdager, hvordan proteinpar styrer cellulære calciumsignaler

Proteinkemikers skildring af den calciumfølende region i to konstruerede STIM1-proteinvarianter. De steder, der blev ændret, er fremhævet i hvert tilfælde som røde kugler. Adfærden af ​​disse to konstruerede proteiner gav nøgleindsigt i, hvordan STIM1 registrerer ændringer i calciumniveauer Kredit:Dr. Patrick Hogan, La Jolla Institut for Immunologi

Alle pattedyrsceller har brug for en klar forsyning af calciumioner for at udføre funktioner så forskellige som neurotransmission, muskelsammentrækning, hormon frigivelse, eller immunrespons. Så fundamentalt er dette krav, at celler beskytter sig selv mod katastrofer ved at opbevare calcium i et netværk af intracellulære cisterner kaldet det endoplasmatiske reticulum, eller ER. Derefter, da celler mister calcium som en del af deres daglige rutine, kanaler åbner i cellens membran, hvilket tillader calciumtilstrømning udefra for at genopfylde ER-reserverne og opretholde calcium-drevne cellulære funktioner.

To undersøgelser for nylig offentliggjort af La Jolla Institute for Immunology (LJI) efterforskere Patrick Hogan, Ph.D., og Aparna Gudlur, Ph.D.-et papir, der vises tidligt i år i Cellerapporter og den anden i den 31. oktober, 2018, udgave af Naturkommunikation -rapporter, hvordan et calcium-sansende protein kaldet STIM1 signalerer, at det er tid til at påbegynde calciumudvinding og derefter videresender denne besked til sin partner, calciumkanalen ORAI. Dette arbejde danner grundlaget for nye måder at manipulere afvigende calciumsignalering i immunsystemet på, især i forbindelse med autoimmun eller inflammatorisk sygdom.

"Vi har vidst i et årti, at STIM1-protein bevægede sig mod plasmamembranen for at åbne ORAI-kanaler, når ER-calciumniveauet falder, " siger Hogan, en professor i afdelingen for signalering og genekspression. "Vores nylige arbejde viser, hvordan STIM -maskineriet fungerer på et molekylært niveau. Det er afgørende at forstå disse mekanismer, da calcium er vigtigt for en bred vifte af immunresponser."

Det Cellerapporter papir afslører, hvordan STIM1 -protein forlænges, når det skifter fra en hvilende til en aktiveret tilstand, når calciumreserverne falder. STIM1 er et transmembranprotein, der spænder over ER-væggen:den ene ende stikker en calciumfølende målepindslignende hale inde i reserven; i en hvile, calciumfyldt tilstand, den anden arm rager ud fra skadestuen, men forbliver gemt op ad skadestuens væg, ude af kontakt med sovende ORA1-kanaler, der prikker cellemembranen.

Gruppen definerede, hvad der sker, når calciumniveauer falder, ved at konstruere og teste adfærden af ​​genetisk modificerede STIM1-proteiner i dyrkede celler. Analyse viste, at calciumtab fra sensorhalen fik de membranspændende områder af par af STIM1-proteiner til at trække sig sammen inde i ER-væggen, får de ydre arme til at strække sig mod cellemembranen. Denne formændring bragte STIM1 tæt nok på ORAI-kanaler til at nå ud og åbne dem, tillader calcium at strømme tilbage til cellerne.

Mikroskopbilleder af reguleringsproteinet STIM1- mærket genetisk med et grønt fluorescerende mærke- i den samme celle før stimulering (venstre panel) og efter stimulering (højre panel). STIM1 flytter, når cellen stimuleres, til steder, hvor den kan gate calciumkanalen ORAI1. Mekanismen, der initierer denne STIM1 -bevægelse, var fokus for de to undersøgelser. Kredit:Dr. Aparna Gudlur, La Jolla Institut for Immunologi

"Det første papir viste, hvordan STIM1 kommunikerer med et kanalprotein i plasmamembranen via en strukturel ændring, " siger Hogan. "Vores seneste papir tager den proces et skridt tilbage i tiden og afslører, hvordan calciumtab inde i ER initierer denne ændring."

Enkelt sagt, det nyere papir fokuserer på funktionen af ​​STIM1s calciumfølende målepind. Tidligere har proteinkemikere fandt ud af, at calcium inde i ER binder til et strukturelt motiv i STIM1-halen kaldet en "EF-hånd" og foreslog, at når hånden var tom, STIM1 aktiverede ORAI. Gudlur, en instruktør i Hogan-laboratoriet og det nye papirs første forfatter, forklarer, at det ikke er helt så enkelt. "Vi rapporterer nu, at flere calciumer binder ikke kun til EF-hånden, men til andre steder i STIM1 ER-domænet, og at webstederne er afhængige af hinanden, " siger hun. "Det reviderer konceptet for, hvordan STIM1 bliver aktiveret."

Ikke kun det, men ifølge Hogan havde den fremherskende overbevisning været, at calciumdissociation får STIM1's dipstick-lignende område inde i ER til at udfolde sig dramatisk og antage en kaotisk struktur, en uorden, der anses for nødvendig for ORAI -aktivering. "Vi viser nu, at når calcium er lavt i ER, udfolder denne region sig ikke, men får i stedet en ny, men stabil struktur, der favoriserer interaktion med ORAI-kanalen, "Det er vigtigt, fordi det betyder, at interaktion kan målrettes af hæmmere."

Faktisk, lægemiddelfirmaer har allerede søgt at udvikle lægemidler til at blokere ORAI-calciumkanaler som et middel til at standse calciumafhængige immunresponser ved autoimmune sygdomme eller ved inflammatoriske tilstande som akut pancreatitis. Nogle ORAI-blokerende lægemidler er i øjeblikket i fase I og II kliniske forsøg og fremstår indtil videre som ikke-toksiske. Men deres terapeutiske potentiale er stadig ukendt.

Gudlur, som havde en ledende rolle i begge undersøgelser, spekulerer i, at udvikling af direkte ORAI/STIM1-blokkere som terapier kun kan være et indledende skridt, da begge proteiner er fælles for mange celletyper. "Målretning mod ORAI-kanaler som en måde at blokere overskydende calciumsignalering kun i visse celler kan kræve større specificitet, " siger hun. "Vores arbejde er et første skridt i at identificere cellespecifikke faktorer, der er i stand til at modulere ORAI/STIM1-aktivitet. Når vi har fundet dem, lægemiddelscreeninger rettet mod disse faktorer ville være påkrævet."

Hogan er enig i, at opdagelse af lægemidler er bygget på et grundlag af udforskning. "Folk, der udfører grundforskning, skal undersøge grundlæggende cellulære processer, " han siger, bemærker, at der gik mere end 20 år mellem opdagelsen af ​​immunkontrolpunktproteinet CTLA4 og FDA godkendelse af immunkontrolpunktblokade som behandling for melanom. (Bemærk:fire dage efter dette interview blev "opdagerne" navngivet af Hogan tildelt 2018 Nobelprisen i fysiologi og medicin). "Hvis du ikke pille ved det grundlæggende i en celle, vil du aldrig hoppe fremad. Vi ved ikke altid, hvor terapierne kommer fra."


Varme artikler