Project

Discipline

Skeletal muscle dysfunction; Store-operated calcium entry; Immunology; SOCE; TRP channel; Calcium; Cancer; Calcium channel; Immune system

Lead
Ein Team von Wissenschaftlern an den Universitäten Bern und Genf mit Expertisen in den Fachgebieten Molekularbiologie, Physiologie und Chemie setzt sich zum Ziel, die detaillierten Funktionsmechanismen von „Store-Operated Calcium Entry“ (SOCE) aufzudecken, um damit verbundene menschliche Erkrankungen besser verstehen zu können.
Lay summary
Speicher-aktivierte Calciumkanäle im gesunden Körper und bei Krankheiten  Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts Calcium ist für die Funktion des menschlichen Körpers ein essentieller Mineralstoff. Neben seiner bekannten Funktion im Aufbau von Knochen spielt Calcium zudem eine wichtige Rolle als Signalmolekül innerhalb einer jeden Zelle wie auch für die Funktion des gesamten Organismus. Die Calciumkanäle Orai 1-3 ermöglichen das Wiederauffüllen intrazellulärer Calciumspeicher nach deren Entleerung, z.B. aufgrund der Stimulation von Rezeptoren in der Zellmembran. Dieser Vorgang wird als «SOCE» (store-operated calcium entry) bezeichnet. Die Untersuchung der molekularen Mechanismen dieser Vorgänge ist von grosser klinischer Bedeutung, da diverse menschliche Erkrankungen damit verbunden sind. Wir haben hierfür eine interdisziplinäre Zusammenarbeit aufgebaut, um grundlegende Erkenntnisse in diesem Forschungsbereich zu gewinnen. Darauf aufbauend können in der Zukunft neuartige therapeutische Strategien entwickelt werden, welche die Funktionsweise von SOCE gezielt beeinflussen. Unser Ansatz ermöglichte es uns, die Komplexität verschiedener Aspekte der SOCE- Signalübertragung im Detail zu verstehen. Wir konnten Isoform-spezifische Modulatoren der Orai1- und Orai3-Kanäle synthetisieren, welche die Ermittlung der Funktionsweise von Orai-Kanälen ermöglichen. Diese müssen durch Calcium-abhängige sogenannte «STIM-Proteine» des endoplasmatischen Retikulums innerhalb der Zellen geöffnet werden. Genetische Mutationen dieser Kanäle wurden in Patienten mit der Muskelkrankheit «Myopathie mit tubulären Aggregaten» identifiziert. Diese bewirken, dass sich die Orai-Kanäle unabhängig von STIM-Proteinen öffnen, was zu einer übermäßigen Calcium-Aufnahme der Muskelzellen und somit zu Schmerzen, Schwäche und Krämpfen der Muskeln führt. Wir konnten nun zeigen, wie genau diese Mutationen die Eigenschaften der Kanäle verändern, was den Verlauf der Muskelkrankheit erklärt. Wir haben auch die Wirkung des kommerziell erhältlichen Orai1 Inhibitors GSK7975A auf mehrere solche Orai-Mutationen charakterisiert und gezeigt, dass dieser die mutierten Kanäle der Patienten wirksam blockieren kann und somit im Prinzip als Medikament geeignet wäre. Wir haben auch gezeigt, dass STIM1, zusammen mit dem Interaktionspartner «UNC93B1» eine wichtige Rolle spielt bei angeborener Immunität gegen intrazelluläre Pathogene, Viren und Krebszellen. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes Wir erwarten, dass die Ergebnisse dieses Projektes relevant sein werden für eine gezieltere medikamentöse Behandlung menschlicher Erkrankungen in Bereichen des Immunsystems, der Muskelfunktion und bei Krebs.

Direct link to Lay Summary

Last update: 09.11.2018

Active participation

Self-organised

Communication	Title	Media	Place	Year

Title	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

Store-operated calcium entry (SOCE) is activated in response to depletion of the endoplasmic reticulum Ca2+ stores following stimulation of plasma membrane receptors. Key components of SOCE are the multiple isoforms of the ER-resident calcium sensors STIM1 and STIM2 and the Orai calcium channels (Orai1-3). However, the involvement of a myriad of other sensors and channels including TRP channels, Ca2+/calmodulin and SARAF also play a critical role in the regulation and function of SOCE. Investigations into the physiological significance of SOCE is an emerging field of great clinical interest, highly relevant to the immune system, cancer development and skeletal muscle defects. Membrane channels involved in SOCE can be powerful molecular targets through their ability to rapidly modulate important properties within the cell. However, pharmacological targeting of SOCE is currently limited to a few weak modulators lacking specificity. Using a synergistic approach across three disciplines (Molecular Biology, Physiology and Chemistry), we were now able to advance our understanding of the complexity of SOCE signaling. Through this Sinergia-funded project, we synthesized and identified isoform-specific modulators for the Orai1 and Orai3 channels that are helpful in our understanding of the functioning of these channels. We also identified new Orai-targeting drugs with anti-proliferation activity on breast cancer cells. Orai channels need to be opened from within the cell by activated STIM proteins. Mutations within the channels have been reported to open the channels without the requirement of STIM, or without the activation of STIM, and have been linked to the muscle disorder “Tubular aggregate myopathy” (TAM). We could explain how natural changes in single amino acids in patients suffering from this disease alter the properties of the channel. This progress clarifies our understanding of the disease mechanism. We also characterized the action of the commercially available inhibitor GSK7975A on several open channel mutants associated with TAM and highlighted its clinical relevance as the drug that could potently block different mutant channels. We also highlighted the role of STIM1 and its novel interaction partner UNC93B1 in an important aspect of innate immunity against intracellular pathogens, viruses and cancer cells.Based on our collaborative work, we are now also beginning to understand how binding of Ca2+/calmodulin to STIM1 inactivates the Orai1 channel. We found that H2O2 modifies STIM2 proteins and thereby inhibits their role in opening Orai channels. We identified important amino acids in STIM2 that are responsible for this action. We also studied different engineered mutations within different Orai channel isoforms and our date indicate that these channels exhibit different opening mechanisms.Our scientific achievements are demonstrated by five peer-reviewed international scientific publications, four review papers and another four scientific articles that are being written up. The success of our Sinergia network greatly benefited through very effective and fruitful interdisciplinary collaborations. We expect that the results from this project will facilitate the future development of more targeted drug treatment strategies for human diseases related to the immune system, muscle function and cancer development.