Kalzium Detektion von STIM1/STIM2 reguliert Ca2+ Signale

PD. Dr. Rainer Schindl, Medical University of Graz, Gottfried Schatz Research Center, 8010-Graz, Austria A. Univ.-Prof. Dr. Christoph Romanin, Institute of Biophysics, JKU Linz, 4020-Linz, Austria Kalzium (Ca2+) spielt eine äußerst wichtige Rolle im Lebenszyklus einer Zelle. Daher ist eine präzise Kontrolle von zellinternen Ca2+-Konzentrationen essentiell. Hierfür steht in allen Zellen ein kompletter Kalzium-Baukasten zur Verfügung. Dieser besteht aus Kalzium-Sensoren, -Puffern und -Kanälen. Zwei essentielle Proteine aus diesem Baukasten sind STIM und Orai. Die Ca2+-Sensoren STIM1 und STIM2 reagieren äußerst sensitiv auf eine Ca2+-Speicherentleerung des endoplasmatischen Retikulums (ER) und steuern so wichtige menschliche Immunantworten, wie die Aktivierung von T-Zellen und Degranulation von Mastzellen bei allergischen Reaktionen. Die beiden STIM Proteine binden und öffnen den Orai Kanal in der Zellmembran, welcher höchst selektiv Ca2+ transportiert. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die einzelnen Schritte des Aktivierungsmechanismus sowie die exakten strukturellen Veränderungen von STIM1 und STIM2 zu bestimmen. Die Erforschung von Ca2+ Signalwegen auf molekularer Ebene ist von großer Bedeutung, da diese Proteine die Aktivierung u.a. von T-Zellen steuern. In diesem Projekt möchten wir mit einer Kombination von Computersimulation und Studien an lebenden Zellen die zellulären Ca2+-Signale von STIM1 und STIM2 differenzieren. Unser Forschungsteam beinhaltet Experten im Feld der Ca2+-Signalweiterleitung (Prof. Christoph Romanin, Universität Linz, Österreich und Dr. Rainer Schindl, MED Univ Graz, Österreich), und Spezialisten im Bereich der Computersimulationen (Prof. Rüdiger Ettrich, Larkin Universität, USA und Dr. Daniel Bonhenry, Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik). Unser Team wird zusätzlich verstärkt von Dr. Peter Stathopulos von der Western Ontario Universität, ein Experte auf dem Gebiet der Biochemie. Mit den aus dem vorliegenden Projekt resultierenden, wissenschaftlichen Erkenntnissen soll ein genaues Verständnis für Ca2+-Signalwege gewonnen werden. Diese werden in Zukunft physiologische und pathophysiologische Prozesse rund um Ca2+ besser verständlich machen und ermöglichen, Therapien von menschlichen Erkrankungen exakt auf diese Prozesse abzustimmen.

Aktivierung und pathophysiologische Rolle des Kalzium Sensorproteins STIM1 Das Protein STIM1 (Stromal Interaction Molecule 1) ist ein wichtiges Protein für die zelluläre Kalziumregulation in verschiedenen menschlichen Zellen, wie etwa von Immunzellen. Es befindet sich in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) und wird aktiv wenn dort die Kalziumkonzentration sinkt um dann die sogenannten CRAC-Kanäle (Calcium Release-Activated Calcium) zu öffnen. Die aktive Form von STIM1 bindet mit dem Orai1-Kalzium selektiven Kanalprotein in der Zellmembran direkt. Diese Aktivierung ist essenziell für zahlreiche zelluläre Prozesse wie Genexpression und Zellteilung. Ein zentrales Element dieser Aktivierung sind strukturelle Änderungen von STIM1 aus einem inaktiven Kalzium gebundenen Monomer in eine aktive, multimerisierte Form. Mithilfe molekularer Dynamiksimulationen und elektrophysiologischer Zellexperimente konnten in einem vom FWF geförderten Projekt gezeigt werden, dass zwei kritische Bereiche innerhalb der sogenannten SAM-Domäne (Sterile Alpha Motif) für diese Multimerisierung notwendig sind. Punktmutationen in diesen Bereichen verhinderten die Ausbildung höherer STIM1-Komplexe und führten in Zellen zu einer verringerten Kalziumaufnahme und abgeschwächten Kalziumoszillationen. Diese Ergebnisse zeigen, dass hydrophobe Wechselwirkungen innerhalb der ER-luminalen Domäne von STIM1 entscheidend für die Aktivierung des Proteins sind. Dieser Mechanismus konnte 2024 im renommieren Journal Proceedings of the National Academy of the USA veröffentlicht werden. Genetische Veränderungen im STIM1 Protein die den Aktivierungsmechanismus stören, können krankhafte Folgen haben: Ein Beispiel dafür ist das Stormorken-Syndrom, eine seltene genetische Erkrankung, die durch eine dauerhafte Fehlaktivierung von STIM1 gekennzeichnet ist. Eine einzelne spezifische Mutation in STIM1 führt zu einer dauerhaften Öffnung der CRAC-Kanäle - unabhängig vom Kalziumgehalt im ER. Ein weiterer Erfolg dieses FWF Projekt war zu zeigen, dass das gezielte Entfernen einer benachbarten Aminosäure diesen Defekt korrigieren kann. In Mausmodellen führte diese Korrekturmutation zu einer vollständigen Normalisierung der STIM1-Funktion. Die Ergebnisse, im renommierten Journal Science Signaling, 2023, liefern wichtige Einblicke in die molekularen Grundlagen von STIM1-bedingten Erkrankungen und eröffnen potenzielle therapeutische Ansätze zur Behandlung genetischer Störungen der Kalziumregulation. Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung von STIM1 als molekularem Schalter für Kalziumsignale und zeigt, wie präzise Eingriffe auf molekularer Ebene krankheitsrelevante Fehlfunktionen beheben können.