Intrinsische Abschaltmechanismen von Orai Kanälen

Prozesse in der lebenden Zelle, wie die Sekretion von Proteinen, die Muskelkontraktion oder die Genaktivierung, werden häufig durch eine rasche Änderung von zellulärem Kalzium gesteuert. In Immunzellen wird der Kalziumgehalt durch speicher-aktivierte Kanäle, gebildet von den Orai Proteinen, erhöht. Nach der Kalzium- Entleerung des Endoplasmatischen Retikulums, koppelt der Kalziumsensors Stim1 and die Orai Kanäle und aktiviert diese. In diesem Projekt möchte ich Domänen innerhalb der Orai Proteine identifizieren, die den Kalziumeinstrom regulieren. Dabei werde ich speziell auf Orai-Strukturen fokussieren, die Zellen vor zu hohem Kalziumeintritt schützen oder diesen abschalten. Die drei Orai Proteine weisen Variationen in der Aminosäurenabfolge auf, welche mit molekularbiologischen Techniken mutiert oder ausgetauscht werden. Diese mutierten Kanäle werden auf ein verändertes Abschaltverhalten mit Hilfe der Patch Clamp Technologie analysiert. Diese Methode ermöglicht, Ströme über die Zellmembrane zu messen und regulierende Segmente innerhalb der Orai Proteine zu entschlüsseln. Weiters werde ich diese Inaktivierungsdomänen auf ein mögliches kooperatives Zusammenspiel untersuchen. Heteromere Kanäle, geformt aus Orai1 und Orai3 Proteinen, zeigen eigenständige Abschaltmechanismen. Hier werde ich die Inaktivierung durch das Zusammenwirken verschiedener Untereinheiten innerhalb eines Heteromers untersuchen. Die Abschaltmechanismen von nativen speicheraktivierten Kanälen, die von Orai1 oder Orai3 zugebildet werden möchte ich in einem Forschungsaufenthalt bei Professor M. Trebak untersuchen. Zusammenfassend stellt dieses Projekt einen bedeutenden Einblick in die molekularen Strukturen der Abschaltmechanismen von homo- und heteromeren Orai Kanälen dar.

Kalziumporen können Blutgefäße verstopfen In den westlichen Industrienationen zählen Folgewirkungen der Arteriosklerose, einer Verengung der Blutgefäße, zu den häufigsten Todesursachen. In einem Projekt des österreichischen Forschungsfonds (FWF) konnten Linzer Biophysiker in Zusammenarbeit mit amerikanischen Wissenschaftlern nun zeigen, dass das Protein Orai erkrankte Muskelzellen stark wuchern lässt. Dieses Zellwachstum ist oft schleichend, führt jedoch im schlimmsten Fall zu Herzinfarkt oder Schlaganfall. Wird das Orai-Protein gehemmt, stoppt das unkontrollierte Wachstum der Zellen. Momentan werden bereits neue Wirkstoffe gegen Orai getestet, die auf einen Schutz der Blutgefäße hoffen lassen.Doch wie kann ein Protein von wenigen Nanometern so weitreichende Auswirkungen auf unsere Gesundheit haben? Unsere Körperzellen empfangen und generieren verschiedenste chemische und molekulare Signale: um sich zu teilen, Substanzen auszuschütten oder ins Gewebe einzuwandern. Zu den wichtigsten dieser Signale zählt Kalzium. Dieser Kalzium-Einstrom erfolgt in vielen Zellen über die beiden Proteine, STIM1 und Orai, die ich in meinem FWF-Projekt untersucht habe. Das Orai-Protein formt eine kalziumdurchlässige Pore und wird durch STIM1 reguliert. Atomare Struktur für Kalzium-Schalter: In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Toronto konnte unser Linzer Forschungsteam erstmals das Zusammenspiel dieser beiden Proteine in atomarer Auflösung klären. Mit Hilfe der Gentechnik und der Messung des Kalzium-Einstroms zeigten wir, wie die Bindung dieser beiden Proteine STIM1 und Orai den Fluss von Kalzium in Körperzellen auslöst. Unsere Ergebnisse hat das renommierte Journal Nature Communications veröffentlicht. Orai lässt Muskelzellen wuchern: Einige seltene Gendefekte verändern diese Ankopplung der beiden Proteine und führen zu schwerwiegenden Erkrankungen des Immunsystems, der Muskeln sowie zu Blutungen. Erkrankungen, die in Zusammenhang mit dem Orai-Protein stehen, konnte ich am Albany Medical Center (USA) untersuchen. Gemeinsam mit meinen amerikanischen Kollegen entdeckte ich eine starke Erhöhung der Orai-Proteine in erkrankten Muskelzellen. Diese Zellen wuchern stark und können Blutgefäße verschließen. Bei Mäusen gelang es uns bereits erfolgreich, die erhöhte Bildung von Orai in Muskelzellen zu unterdrücken, und dadurch die Verstopfung der Hauptschlagader zu verhindern (erschienen im Journal Circulation Research). Um die menschlichen Blutgefäße zu schützen und chronische Erkrankungen der Arterien zu verhindern, ist deshalb eine spezifische Kontrolle des Orai-Proteins erforderlich. In Zusammenarbeit mit dem Pharmakonzern GlaxoSmithKline haben wir es bereits geschafft, das Orai-Protein mit neuen Wirkstoffen zu hemmen.Dies ist ein erster Schritt, um mit neuen Medikamenten das unkontrollierte Wachstum von Muskelzellen zu stoppen. Unsere Ergebnisse weisen Orai deutlich als Schlüsselprotein für die Erkrankung von Blutgefäßen aus.