Strukturänderungen in krankheitsassoziierten STIM1 Proteinen

Präzise Regulation des Kalziumhaushaltes ist für zelluläre Prozesse im menschlichen Körper essentiell. Diese Prozesse beinhalten Gentranskription, programmierten Zelltod und die Aktivierung von Zellen des Immunsystems. Kalzium kann über spezifische Kanäle in die Körperzellen gelangen. Zwei Proteine bilden hierbei diese Ionenkanäle: STIM1, im endoplasmatischen Retikulum des Zellinneren und Orai1 in der Zellmembran. Im vorliegenden Projekt Kalziumabhängige, strukturelle Veränderungen in krankheitsassoziierten STIM1 Proteinen charakterisieren mein Team und ich Mutationen im STIM1 Protein, welche mit schwerwiegenden Erkrankungen in Zusammenhang stehen und bisher noch nicht untersucht wurden. STIM1 und Orai1 Proteine spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Krebsarten, wie beispielsweise bei Hodenkrebs, Unterleibskrebs und Gehirntumoren, jedoch ist ihr mechanistischer Einfluss auf die Krebsentstehung unbekannt. Unter anderem treten diverse Mutationen im STIM1 Protein in Krebsgeweben von PatientInnen auf. Diese Mutationen und zusätzlich solche, die in menschlichen Muskeldefekten gefunden wurden, untersuchen wir vor allem hinsichtlich deren Wirkung auf den Kalziumhaushalt der Zelle. Wir entschlüsseln mit verschiedensten experimentellen Methoden, wie diese Genveränderungen schlussendlich auf die Krankheitsentstehung Einfluss nehmen. Durch Kooperation mit Prof. Martin Pichler der Medizinischen Universität Graz analysiere ich die Auswirkung von spezifischen STIM1 Mutationen direkt in Krebszellen. Hierbei wird die neueste Methode der gezielten Gen-Editierung entscheidenden Einfluss nehmen. Des Weiteren werde ich durch Kooperation mit Prof. Rüdiger Ettrich der Universität von Nove Hrady, Tschechische Republik, bioinformatische Simulationen durchführen, welche Hinweise auf die Proteinstruktur und deren Faltung liefern werden. Das vorliegende Projekt liefert wesentliche Erkenntnisse darüber, in welcher Weise Mutationen im STIM1 Protein kalziumabhängige Prozesse in Krebszellen und anderen krankheitsassoziierten Zellen beeinflussen. Das Wissen um die Kalziumsignalwege in Krebszellen ist entscheidend, um weitere physiologische und pathophysiologische Prozesse zu verstehen. Hiervon kann die medizinische Behandlung von KrebspatientInnen in hohem Maße profitieren.

Strukturänderungen in krankheitsassoziierten STIM1 Proteinen Mag. Dr. Irene Frischauf Die fein abgestimmte Regulation der Ca2+-Homöostase ist für verschiedene zelluläre Prozesse im menschlichen Körper essenziell. Zu diesen Prozessen gehören die Gentranskription, der programmierte Zelltod und die Aktivierung von Immunzellen. Ca2+ kann über spezifische Ionenkanäle in die Zelle gelangen, die aus zwei Hauptproteinen bestehen: STIM1, das im endoplasmatischen Retikulum eingebettet ist, und Orai1 in der Plasmamembran. Diese beiden Proteine sind nachweislich auch an der Entstehung von menschlichen Krankheiten beteiligt, darunter schwere Immundefizienz, tubuläre Aggregatmyopathie, Stormorken-Syndrom und verschiedene Formen von Krebs. Im Rahmen des vorliegenden Projekts habe ich bisher unbekannte, krankheitsbezogene Mutationen innerhalb des STIM1-Proteins charakterisiert. Außerdem untersuchte ich Mutationen, die aus einer Krebsdatenbank mit Studien zu menschlichen Krebserkrankungen stammen, und analysierte ihre Auswirkungen auf die Ca2+-Homöostase der Zellen. Durch den Einsatz verschiedener experimenteller Methoden konnte ich aufklären, wie diese Mutationen über strukturelle Veränderungen innerhalb des STIM1-Proteins die Entstehung bestimmter Krankheiten beeinflussen können. STIM1 hat zwei Hauptfunktionen: Es misst die ER-Ca2+-Konzentration und bindet direkt an den Ca2+-Kanal Orai1, um ihn zu aktivieren, wenn die Ca2+ Konzentration zurückgeht. Strukturelle Umstrukturierungen von STIM1 sind notwendig, um die Interaktionen der C-terminalen Domänen zu initiieren und die Bindungsstelle für Orai1-Kanäle freizulegen. Die strukturelle Grundlage dieser STIM1-Aggregation war jedoch bisher nicht bekannt. Während der Projektlaufzeit konnte ich eine neuartige STIM1-Orai1-Gating-Schnittstelle identifizieren, die für die Übertragung des Signals zwischen den beiden Proteinen notwendig ist. Darüber hinaus konnten wir die Schritte der STIM1-Aktivierung auf molekularer Ebene verfeinern. Im Einzelnen konnten wir zeigen, dass krankheitsbedingte Mutationen eine strukturelle Entfaltung bewirken und zu einer nachgeschalteten Aktivierung von autophagischen Zellprozessen führen. Auf der Grundlage der Ergebnisse von Molekulardynamiksimulationen haben wir gezielt die Stellen ausgewählt, die hauptsächlich STIM1-Interaktionen bilden, und einzelne Punktmutationen hergestellt. Tatsächlich beeinträchtigten diese STIM1-Mutationen die Oligomerisierung von STIM1-Proteinen in biochemischen Assays und in Experimenten mit lebenden Zellen. STIM1-Mutanten verringerten außerdem den Ca2+-Einstrom über Orai1 erheblich. In unseren Experimenten wurde somit eine dynamisch gebildete luminale STIM1-Dimer-Schnittstelle als Schlüsseldomäne im Aktivierungsprozess von Orai1-Ca2+-Kanälen direkt sichtbar gemacht. Dieses Projekt liefert grundlegende Erkenntnisse darüber, wie Mutationen in STIM1 Ca2+-abhängige Prozesse in krankheitsrelevanten Zellen beeinflussen. Das Wissen über Ca2+-Signalwege ist für das Verständnis physiologischer und pathophysiologischer Prozesse unerlässlich, wovon die medizinische Behandlung von Patienten stark profitieren kann.