Molekulare Mechanismen der STAC3-CaV1.1. Interaktion in der Skelett EK Kopplung

Die elektromechanische Kopplung (EC-Kopplung) ist ein fundamentaler Prozess in der Muskelphysiologie, in welchem ein elektrisches Signal, ein Aktionspotential, in eine mechanische Antwort in Form einer Muskelkontraktion umgewandelt wird. An diesem Regelmechanismus sind spannungsabhängige Kalziumkanäle wesentlich beteiligt. Dies sind Proteinkomplexe, die sich aus einer porenbildenden (CaV1.1) Untereinheit und akzessorischen Untereinheiten (z.B. CaVb1a) zusammensetzen, und auf Potentialänderungen (Depolarisationen) der Zellmembran hin aktivieren. Da diese Kalziumkanäle über eine mechanische Verbindung mit kalziumfreisetzenden Kanälen (Ryanodinrezeptoren; RyR1) des endoplasmatischen Retikulums gekoppelt sind, führt die Aktivierung der ersteren zur Öffnung der letzteren. Das daraus resultierende zytoplasmatische Kalziumsignal reguliert die Muskelkontraktion. Die beteiligten Proteine (CaV1.1, CaVb1a, RyR1) sind essentiell: Ein Verlust einer dieser Proteine führt zu Lähmung und Tod durch Ersticken und Fehlfunktionen haben diverse Muskelerkrankungen zur Folge. Kürzlich wurde einbisherunbekannter,weitererwesentlicherBestandteildes EC- Kopplungsapparates identifiziert, nämlich STAC3. STAC3gehört zu einer Familievon Adapterproteinen, die Protein-Protein-Interaktionen und die Bildung von makromolekularen Signalkomplexen ermöglichen. Die Bedeutung von STAC3 wird in Knockout-Tiermodellen ersichtlich, welche eine funktionsuntüchtige EC-Kopplung zeigen. Weiters konnte gezeigt werden, dass STAC3 für den Membraneinbau von CaV1.1 notwendig ist, und dass eine Punktmutation in STAC3 zu einer seltenen Muskelerkrankung (Native American Myopathy) führt. Diese kennzeichnet sich durch multiple klinische Merkmale wie Muskelschwäche, Anfälligkeit für maligne Hyperthermie und faziale Dysmorphien, und führen zum Tod eines Drittels der betroffenen Personen unter 18 Jahren. Bislang ist jedoch der Funktionsmechanismus von STAC3 im EC-Kopplungsprozess unbekannt. Dieses Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die spezifische Funktion von STAC3 in der EC-Kopplung der Skelettmuskulaturzuentschlüsseln. Dazu werden wir genetisch veränderte Skelettmuskelzellkulturen nutzen, um die Eigenschaften und die molekularen Grundlagen der STAC3/CaV1.1 Interaktion zu charakterisieren Wir vermuten, dass STAC3 stabil in der Membran des Skelettmuskels lokalisiert ist, wo es mit einer oder mehreren Komponenten des EC- Kopplungsapparates (zB CaV1.1 und CaVb1a) interagiert. Darüber hinaus erwarten wir, dass eine Deletion von STAC3 in Myotuben zu einer reduzierten CaV1.1 Membranexpression führt. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir ein Spektrum unterschiedlicher Verfahren, wie Molekulargenetik, modernste Mikroskopietechniken und Elektrophysiologie heranziehen. Das Forschungsprojekt soll unser Verständnis über einen zentralen Fuktionsmechanismus der Muskelphysiologie verbessern, und die Rolle von STAC3 in einer seltenen Muskelerkrankung entschüsseln.

Die elektromechanische Kopplung (EC-Kopplung) ist ein fundamentaler Prozess in der Muskelphysiologie, in welchem ein elektrisches Signal, ein Aktionspotential, in eine mechanische Antwort in Form einer Muskelkontraktion umgewandelt wird. An diesem Regelmechanismus sind spannungsabhängige Kalziumkanäle wesentlich beteiligt. Dies sind Proteinkomplexe, die sich aus einer porenbildenden (CaV1.1) Untereinheit und akzessorischen Untereinheiten (z.B. CaV1a) zusammensetzen, und auf Potentialänderungen (Depolarisationen) der Zellmembran hin aktivieren. Da diese Kalziumkanäle über eine mechanische Verbindung mit kalziumfreisetzenden Kanälen (Ryanodinrezeptoren; RyR1) des endoplasmatischen Retikulums gekoppelt sind, führt die Aktivierung der ersteren zur Öffnung der letzteren. Das daraus resultierende zytoplasmatische Kalziumsignal reguliert die Muskelkontraktion. Die beteiligten Proteine (CaV1.1, CaV1a, RyR1) sind essentiell: Ein Verlust einer dieser Proteine führt zu Lähmung und Tod durch Ersticken und Fehlfunktionen haben diverse Muskelerkrankungen zur Folge. Kürzlich wurde ein bisher unbekannter, weiterer wesentlicher Bestandteil des EC-Kopplungsapparates identifiziert, nämlich STAC3. STAC3 gehört zu einer Familie von Adapterproteinen, die Protein-Protein-Interaktionen und die Bildung von makromolekularen Signalkomplexen ermöglichen. Die Bedeutung von STAC3 wird in Knockout-Tiermodellen ersichtlich, welche eine funktionsuntüchtige EC-Kopplung zeigen. Außerdem ruft eine Punktmutation in STAC3 eine seltene Muskelerkrankung hervor, die sogenannte Native American Myopathy (NAM). Diese kennzeichnet sich durch multiple klinische Merkmale wie Muskelschwäche, Anfälligkeit für maligne Hyperthermie und faziale Dysmorphien, und führen zum Tod eines Drittels der betroffenen Personen unter 18 Jahren. Bislang ist jedoch der Funktionsmechanismus von STAC3 im EC-Kopplungsprozess unbekannt. Dieses Forschungsvorhaben zielte darauf ab, die spezifische Funktion von STAC3 in der EC-Kopplung der Skelettmuskulatur zu entschlüsseln. Dazu haben wir genetisch veränderte Skelettmuskelzellkulturen genutzt, um die Eigenschaften und die molekularen Grundlagen der STAC3/CaV1.1 Interaktion zu charakterisieren. Wir entdeckten, dass STAC3 zwei unterschiedliche Wechselwirkungen mit CaV1.1 eingeht, die unterschiedliche Domänen der beiden Proteine betreffen. Die erste Wechselwirkung, die NAM gestört ist, ist für die funktionelle Kopplung von CaV1.1 und RyR1 von wesentlicher Bedeutung, während die zweite Wechselwirkung für den stabilen Einbau von STAC3 in den CaV1.1-Kanalkomplex entscheidend ist. Außerdem zeigte sich, dass die zweite Wechselwirkung zwischen anderen Kalziumkanälen und STAC-Proteinen, die im Gehirn und in anderen Geweben exprimiert werden, konserviert ist und wichtige physiologische Konsequenzen hat: Die Assoziation von STAC-Proteinen mit diesen Kalziumkanälen führt zur Hemmung eines wichtigen negativen Rückkopplungsmechanismus, calciumabhängiger Inaktivierung und damit zu vermehrtem Calciumzufluss, was zu unterschiedlichen zellulären Reaktionen führt. Schließlich stellten wir fest, dass STAC3 eine Wechselwirkung mit einem zusätzlichen Protein neben dem CaV1.1-Kanal eingeht. Obwohl die Identität dieses Proteins noch geklärt werden muss, deutet diese Erkenntnis darauf hin, dass STAC3 tatsächlich als Linker zwischen CaV1.1 und RyR1 fungiert.