Regulation der Orai1 Pore durch den dritten Loop

CRAC (Ca 2+ release activated Ca2+) Kanäle verkörpern in einer Vielzahl von Zellen den wichtigsten Weg für den Einstrom von Kalzium (Ca 2+). Nach Entleerung der endogenen Kalziumspeicher des Endoplasmatischen Retikulums (ER), kommt es zu einem stabilen Kalziumeinstrom über CRAC Kanäle. Die essentiellen Proteine aus denen ein CRAC Kanal gebildet wird, sind einerseits der Kalziumsensor STIM1, welcher sich in der Membran des ER befindet; andererseits der Kanal Orai1 innerhalb der Plasmamembran. STIM1 "fühlt" sozusagen den Kalziumgehalt des Endoplasmatischen Retikulums verringert sich dieser, beginnen mehrere STIM1 Proteine sich zusammenzulagern und bilden sogenannte punctae in der Nähe der Plasmamembran. An diesen Orten interagiert STIM1 direkt mit Orai1, was zur Öffnung der CRAC Kanäle und zum Einstrom von Kalzium aus dem extrazellulären Milieu führt. Dieses Projekt zielt darauf ab, genau jene Regionen zu identifizieren, welche den Poreneingang von Orai1 regulieren. Biochemische als auch Patch-Clamp Methoden werden dafür angewendet, um die Rolle des ersten und dritten extrazellulären Loops von Orai1 hinsichtlich essentieller Aminosäuren für die Schaltprozesse und die Durchlässigkeit des CRAC Kanals zu charakterisieren. Ein mögliches Zusammenspiel des ersten und dritten Loops soll auch unter Beachtung von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen negativ und positiv geladenen Aminosäuren analysiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen ein neues Modell für den Schaltvorgang der CRAC Kanäle an der extrazellulären Seite der Pore liefern. Außerdem wird die Entschlüsselung von Domänen, die die Durchlässigkeit am Poreneingang beeinflussen eine Möglichkeit bieten, das veränderte Schaltverhalten einer kürzlich beschriebenen Mutante zu erklären, welche die Anfälligkeit für Neurodermitis erhöht. Während eines geplanten Forschungsaufenthalts im Labor von Dr. Juan Rosado in Cceres, Spanien, werde ich versuchen, diesen Phänotyp in nativen Zellen genauer zu charakterisieren. Das vorliegende Projekt wird einen essentiellen Beitrag liefern, die molekularen Hintergründe der Regulation des Poreneingangs von Orai1 zu verstehen.

Proteine (Eiweiße) sind Bio-Moleküle, die unter anderem für die Immunabwehr des Körpers wichtig sind. Durch dieses Projekt ist es uns gelungen, eine wichtige und bislang unbekannte Funktion des Immunproteins Orai1 zu entschlüsseln. Das Immunsystem benötigt das Element Kalzium letztlich als Startschuss für die Bildung eigener Abwehrstoffe. Kalzium kann über bestimmte Poren in Immunzellen einströmen und im Inneren verschiedenste, lebenswichtige Funktionen ausführen. Die Poren in den Immunzellen werden durch das Protein Orai1 gebildet, welches Kalzium von außen in die Zelle leitet. Dass das Orai1 Protein nicht nur als Schleuse fungiert, sondern auch für die Bindung von Kalzium eine eigene Struktur entwickelt hat, was bislang unbekannt. Mittels Computersimulationen, biophysikalischen und biochemischen Versuchen und unserer Zusammenarbeit mit Forschern der Universität von Nove Hrady (Tschechische Republik) und dem Universitätsklinikum des Saarlandes (Deutschland) konnten wir zeigen, auf welchem Weg Kalzium an das Orai1-Protein gebunden wird. Dieser Mechanismus ist lebenswichtig, denn wenn dem Immunprotein diese entdeckte Kalzium-Bindung fehlt, strömt zu wenig Kalzium in die Zelle ein und die Abwehrmaschinerie des Körpers kommt zum Erliegen.