Speicher-operierter Kalziumeinstrom in Skelettmuskel

Im Rahmen der sogenannten elektromechanischen Kopplung wird die Kontraktion des Skelettmuskels durch Nervenimpuls-induzierte intrazelluläre Calcium (Ca2+)-Freisetzung verursacht. Zusätzlich zu der Freisetzung großer Mengen an Ca2+ aus internen Speichern, strömt Ca2+ in kleinerem Ausmaß über den sogenannten Speicher-operierten Ca2+ Einstrom (SOCE) von außen in das Zytosol der Muskelzelle ein. Funktionsstörungen im SOCE sind verantwortlich für eine erhöhte Ermüdungserscheinung des Skelettmuskels. Außerdem sind sowohl eine Zu- als auch eine Abnahme der SOCE Funktion verantwortlich für die Entwicklung diverser Formen der Myopathie. Ungeachtet der gezeigten Bedeutung des SOCE ist völlig unklar wie es zu seiner Aktivierung kommt und welche physiologische Funktion er bekleidet. Ausgehend von Belegen an nicht erregbaren Zellen wird vermutet, dass SOCE durch den Abfall der Ca2+ Konzentration im Lumen der internen Speicher während der intrazellulären Ca2+-Freisetzung aktiviert wird. Jedoch ist ungeklärt, ob und wie diese Aktivierung im Skelettmuskel von statten gehen kann, da die internen Ca2+ Speicher unter physiologischen Bedingungen niemals zur Gänze erschöpft werden. Dies wirft drei Schlüsselfragen auf, welche das vorgelegte Projekt beabsichtigt zu beantworten: (i) Wird SOCE unter physiologischen Bedingungen aktiviert? (ii) Auf welche Weise wird SOCE aktiviert? (iii) Was für eine physiologische Rolle bekleidet SOCE im Skelettmuskel? Die momentan verfügbaren experimentellen Techniken sind nicht in der Lage den minutiösen, an der Muskelzellwand auftretenden SOCE zu detektieren. Um die bisherigen Limitationen zu überwinden, stelle ich im vorgelegten Antrag eine neuartige Mikroskopietechnik vor, die es zum ersten Mal erlaubt SOCE während einzelner Muskelzuckungen zu messen. Präliminäre Daten in diesem Antrag legen nahe, dass SOCE unter diesen Bedingungen tatsächlich aufzutreten scheint. Diese Form des phasischen SOCE war direkt mit der elektromechanischen Kopplung verknüpft. Die pure Existenz einer phasischen SOCE Aktivierung wirft ein komplett neues Licht auf die Funktion dieses wichtigen, aber bisher unverstandenen Vorgangs im Skelettmuskel. Dementsprechend planen wir mit der vorliegenden Technik SOCE in reifen Skelettmuskelfasern zu charakterisieren, die Mechanismen zu definieren, welche zur Aktivierung von SOCE führen, sowie seine physiologische Rolle zu entschlüsseln. Experimente an myopathischen Mäusen werden potentielle Aspekte von SOCE im Kontext von Muskelerkrankungen aufzeigen. Schlussendlich werden wir unsere Methode erweitern und auf humane Muskelfasern anwenden, um SOCE in frisch biopsierten Muskelfasern zu untersuchen.

Die Freisetzung von Calcium (Ca2+) aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) ist entscheidend für die Auslösung der Kontraktion von Skelettmuskeln. Neben dieser Hauptfreisetzung von Ca2+ gelangt eine kleinere Menge von Ca2+ durch den store-operated Ca2+ entry (SOCE) in die Muskelzelle, einem Mechanismus, der aktiviert wird, wenn die Ca2+-Konzentration im SR niedrig ist. Eine Dysfunktion von SOCE ist mit einer erhöhten Muskelermüdung verbunden und kann sowohl durch Funktionsverlust als auch durch Funktionsgewinn zu verschiedenen Formen von Myopathien führen. Allerdings ist unklar, wie SOCE in der Skelettmuskulatur aktiviert wird, da das SR unter physiologischen Bedingungen nie vollständig von Ca2+ entleert ist. Unsere jüngsten Ergebnisse haben gezeigt, dass es eine phasische Form des SOCE (pSOCE) gibt, die während einzelner Muskelzuckungen in der Skelettmuskulatur von Ratten auftritt, was darauf hindeutet, dass dieser Mechanismus unter normalen physiologischen Bedingungen funktioniert. In der aktuellen Studie, durch Weiterentwicklung der vorhandenen Techniken, haben wir nachgewiesen, dass pSOCE auch in der Muskulatur von Mäusen vorkommt, sowohl in schnellen als auch in langsamen Muskelfasern. Die Entdeckung von pSOCE bei verschiedenen Säugetierarten und Muskeltypen unterstreicht die fundamentale Bedeutung dieses Mechanismus in der Muskelphysiologie. Mit Hilfe von genetisch veränderten Mäusen und pharmakologischen Hilfsmitteln konnten wir zeigen, dass der pSOCE höchst wahrscheinlich durch die Proteine Stim1 und Orai1 vermittelt wird, die in verschiedenen Geweben eine Schlüsselrolle beim SOCE spielen. Interessanterweise scheint eine lange Spleißvariante von Stim1 nicht an der Aktivierung des pSOCE beteiligt zu sein, jedoch eine bedeutende Rolle bei der Regulierung der SR-Ca2+-Konzentration zu spielen, indem sie die Funktion der SR-Ca2+-ATPase beeinflusst, des Proteins, das für die Rückführung von Ca2+ in das SR verantwortlich ist. Insgesamt hat dieses Projekt wichtige Erkenntnisse über die Rolle des SOCE in der Funktion der Skelettmuskulatur geliefert. Im Verlauf des Projekts haben wir neue Techniken entwickelt, die diese Forschung ermöglicht haben, und mehrere wertvolle Kooperationen etabliert, die zum erfolgreichen Erreichen unserer Ziele beigetragen haben. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit betonen die entscheidende Rolle von SOCE bei der Aufrechterhaltung der Skelettmuskel-Funktion und eröffnen neue Wege, um seine breitere physiologische Bedeutung zu verstehen.