 |
The role of the calcium channel splice variant Cav1.1dE29 in the skeletal muscle excitation-contraction coupling
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
107765 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Csernoch, László József |
| Title in Hungarian |
A Cav1.1dE29 splice variáns Ca2+-csatorna szerepe a vázizmok elektromechanikai kapcsolatában |
| Title in English |
The role of the calcium channel splice variant Cav1.1dE29 in the skeletal muscle excitation-contraction coupling |
| Keywords in Hungarian |
Cav1.1, vázizom, elektromechanikai kapcsolat, |
| Keywords in English |
Cav1.1, skeletal muscle, EC coupling |
| Discipline |
| Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Bodnár, Dóra
Dienes, Beatrix
Dr. Gomba-Tóth, Adrienn
Fodor, János
Geyer, Nikolett
Jenes, Ágnes
Oláh, Tamás
Szentesi, Péter Sándor
Sztretye, Mónika
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2015-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
25.130 |
| FTE (full time equivalent) |
8.81 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kollaborációs partnereink nemrégiben izolálták a Cav1.1 csatorna egy splice variánsát (Cav1.1ΔE29). Ez a csatorna felnőtt korban csak kis mennyiségben van jelen, de mind a humán, mind az egér eredetű izomtenyészetekben ez a domináns; továbbá vázizomban ez az embrionális szakaszban megjelenő izoforma. Számos adat mutat arra, hogy a Cav1.1ΔE29 csatorna szerepet játszhat a malignus hipertermia, valamint több veleszületett myopathia (pl. CCD) kialakulásában. A Cav1.1ΔE29 jelentősen megváltozott feszültség-áram karakterisztikával rendelkezik a felnőttkori izoformához képest, ennek következtében ezt a splice variánst kifejező izomrostokban várhatóan jelentősen módosul az elektromechanikai kapcsolat.
A projekt célja ennek a feltételezésnek az igazolása és a folyamat minél pontosabb megértése, valamint annak vizsgálata, hogy az említett kórképekben és sérült, illetve regenerálódó izomban a Cav1.1ΔE29 jelenléte milyen jelentőséggel bír. A kérdések megválaszolására a kollaboráció keretében rendelkezésünkre álló KO egérmodell (izmaiban csak a vizsgálni kívánt splice variáns fejeződik ki) teremti meg a lehetőséget. Így a közös munka Cav1.1ΔE29 csatorna teljes körű leírására módot ad, a molekuláris alapoktól az izomműködésben tapasztalható megnyilvánulásokig.
A Cav1.1ΔE29 és közvetve a Cav1.1 csatorna elektromechanikai kapcsolatban játszott szerepének tisztázásához mérni fogjuk az izomteljesítményben bekövetkező változásokat in vivo, az akciós potenciálok paramétereire gyakorolt hatását, a kalcium tranziensek és az SR-ből történő Ca2+-felszabadulás feszültségfüggésének módosulását. Megvizsgáljuk továbbá a Ca2+-belépési folyamatokban (ECCE, SOCE) fellépő esetleges következményeket.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A vázizomban mérhető Ca2+ áramok kicsik, lassan és 30 mV-tal pozitívabb membránpotenciálon aktiválódnak, mint a feszültségfüggő Ca2+-felszabadulás. Így vázizomban az L-típusú Ca2+-áramok szerepét az elektromechanikai kapcsolatban elhanyagolhatónak tekintették. Ugyanakkor egyre több megfigyelés utal a vázizom típusú Ca2+-csatornák szerepére olyan folyamatokban, amelyek a Cav1.1 csatornán keresztül történő kalcium-beáramlástól erősen függenek. Az L-típusú Ca2+-csatornák szerepe az emlős vázizmokban tehát nem tisztázott. A kutatási projekt átfogó célja a kollaborációs partnereink által nemrégiben leírt Ca2+-csatorna splice variáns (CaV1.1ΔE29) élettani szerepének feltérképezése vázizomban. Ez a csatorna izoforma a korábban is ismert Cav1.1 csatornától jelentősen eltérő feszültség-áram karakterisztikát mutat. Vázizom tenyészetekben és az embrionális szakaszban ez a dominánsan megjelenő Ca2+-csatorna izoforma. Vizsgálni fogjuk, hogy az elektromechanikai kapcsolat mennyiben különbözik fejlődő, illetve felnőtt izomban? Milyen szerepet tölthet be a CaV1.1ΔE29 csatorna a vázizom egészséges fejlődésében? Milyen szerepet játszik a CaV1.1ΔE29 izomkárosodás és -regeneráció, illetve öregedés során?
Egy kizárólag csak a CaV1.1ΔE29 vázizom típusú feszültség-vezérelt Ca2+-csatorna splice variánst expresszáló egér modellből származó izomrostok átfogó vizsgálata jelentős mértékben hozzájárul az elektromechanikai kapcsolat hátterében lezajló jelátviteli mechanizmusok megértéséhez különböző fejlődési szakaszokban, illetve kóros állapotokban is.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás kitűzött céljai mind az ioncsatornák működése, mind az izomélettan szempontjából jelentős új ismereteket ígérnek. Közelebb juthatunk a vázizom elektromechanikai (EC) kapcsolatának hátterében álló jelátviteli folyamatok megértéséhez, sőt az EC kapcsolatnak egy új, fejlődő emlős izomban megjelenő formájára is fényt deríthetnek. Ezáltal az eredmények a fejlődésbiológia számára is fontosak. Az „excitation-coupled Ca2+ belépés” (ECCE) molekuláris alapjainak feltérképezéséhez is hozzájárulnak méréseink, mivel tisztázni kívánjuk, hogy az ECCE a CaV1.1ΔE29 csatornán keresztül zajlik-e. A másik Ca2+ belépési útvonal (SOCE) esetleges módosulásait is vizsgáljuk. Nem kizárható, hogy a CaV1.1ΔE29 esetleg bizonyos típusú differenciált izmokban is kifejeződik. Azok a növekő számú megfigyelések, amelyek a e csatorna malignus hipertermiában és egyéb, veleszületett myopathiában (pl. CCD), valamint izomsérülésben és –regenerációban betöltött szerepére utalnak, klinikai jelentőséget is adnak a csatorna vizsgálatának. Ismerve, hogy létezik egy jelentősen eltérő kapuzási tulajdonságokkal rendelkező splice variáns és feltételezve, hogy ez az izoforma a fejlődési szakaszban játszik főként szerepet, kifejeződésének pontos hatásai és annak lehetséges patológiai következményei feltérképezésre várnak. Annak pontos ismerete, hogy a kollaborációs partnerünk által előállított KO egérben (kizárólag a CaV1.1ΔE29 splice variáns csatornát expresszálják) hogyan módosulnak a kalcium felszabadulási és kiürítési folyamatai, hozzájárul a megváltozott izomműködés hátterében álló molekuláris folyamatok megértéséhez. Ez elősegítheti egy későbbi, a Ca2+ homeosztázis módosulásából eredő izombetegségek kezelésének kifejlesztését.
Innsbruckban sikerrel alkalmazzák a sejt- és fejlődésbiológiai módszereket, debreceni csoportunknak az izomműködés vizsgálatában van nagy tapasztalata, ideértve annak a kalcium homeosztázistól az összehúzódásig terjedő minden aspektusát. A kutatási kapacitások e szerencsés összekapcsolása az újonnan felfedezett CaV1.1ΔE29 Ca2+-csatorna szerepének teljes körű vizsgálatát biztosítja. Ezenfelül a kollaboráció a PhD hallgatók cseréjén keresztül a fiatal kutatók képzésében is számottevő lépést jelent.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Számos betegségről bizonyított, hogy bizonyos ioncsatornák sérült vagy módosult működésére vezethető vissza. Az L-típusú Ca2+-csatornákon keresztül a sejtbe jutó Ca2+ az ideg- és izomsejtek fejlődése során lezajló folyamatok egyik fontos szereplője. Ennek következtében a kalcium csatornák működésében bekövetkező zavarok betegségekhez vezetnek. Kardiovasculáris és neurológiai megbetegedésekben a feszültségfüggő kalcium csatornák jelentős célpontok a kezelések során. Vázizomban mindeddig nem tulajdonítottak ilyen jelentőséget ezeknek a csatornáknak, mivel az izomban előforduló típusukon keresztül beáramló kalcium mennyisége nem tűnt jelentősnek. Kollaborációs partnereink nemrégiben azonban leírtak egy vázizomban, a fejlődés kezdeti szakaszában jelen lévő izoformát, amelyen keresztül nagy mértékű Ca2+ áram folyik (jele: CaV1.1ΔE29). Létrehoztak egy knockout egértörzset, ami csak ezt a típusú kalcium csatornát expresszálja, így lehetővé válik e csatorna teljes körű vizsgálata. Mivel a CaV1.1ΔE29 vélhetőleg összefüggésbe hozható a malignus hipertermiával, valamint egyéb, veleszületett myopathiákkal (pl. central core betegség) a csatorna vizsgálata komoly klinikai jelentőséggel bír. A csatorna izomsérülésben és –regenerációban betöltött szerepének vizsgálata újabb lehetséges klinikai relevanciát jelent.
A kísérleteinkben kitűzött célok elérése fontos lépést jelent a vázizom működésének megértésében. A vázizom Ca2+ csatornáinak egy alapjaiban új szerepét tárhatja fel, aminek mind a fejlődés során, mind az izomsérülések regenerációjában, illetve a fent említett betegségek potenciális kezelésében is alapvető szerepe lehet.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Recently a new splice variant of the skeletal muscle calcium channel CaV1.1 has been characterized by our collaborators. This splice variant (CaV1.1ΔE29) is expressed at low levels in adult muscle, but it is the dominant splice variant in human and mouse cultured myotubes, as well as in embryonic muscle. Moreover, there are several data implying the role of CaV1.1ΔE29 in malignant hyperthermia and in several congenital myopathies (e.g. central core disease).
Since this splice variant has markedly different current properties, it is expected that muscle fibers expressing this splice variant would have altered E-C coupling. The aim of this project is to test this hypothesis, and to assess the significance of the presence of Cav1.1ΔE29 in the pathological conditions mentioned above. Ca2+ signaling is affected in ailing muscle also, it will be particularly interesting to investigate whether CaV1.1ΔE29 is involved in injured and regenerating muscle.
Adult muscle fibers that express solely this splice variant are available in the framework of this collaboration, accordingly, this collective research project provide facilities to execute an extensive study of this newly discovered calcium channel from molecular basis to functional manifestations. To explore the particular role of CaV1.1ΔE29 and indirectly of CaV1.1 in excitation-contraction coupling we will establish its magnitude in vivo in the muscle performance, we will characterize its effect on the action potencials, we will measure the voltage-dependece of the calcium transients and the calcium release from the SR. We will analyze its significance in the Ca2+ influx mechanisms, ECCE and SOCE also.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Skeletal muscle Ca2+ currents are small, activate slowly and only at 30 mV more positive membrane potentials than voltage-dependent Ca2+ release. Thus, the contribution to skeletal muscle E-C coupling of L-type Ca2+ currents was thought to be negligible. However, there is an increasing number of new evidence that implicates the skeletal muscle calcium channel in processes that depend on the influx of calcium through CaV1.1. Therefore the question as to the role of L-type Ca2+ currents in mammalian skeletal muscle functions remained unanswered.
The overall goal of this research project is to determine the physiological role of the newly discovered Ca2+ channel splice variant (CaV1.1ΔE29) in skeletal muscle, which has distinct current properties and is the dominant CaV1.1 variant in cultured mouse and human myotubes. It also represents the embryonic Ca2+ channel isoform in skeletal muscle. If CaV1.1ΔE29 is the major CaV1.1 isoform in native embryonic muscle, we will examine how E-C coupling in developing muscle is functionally distinct from that in adult muscle? What could be the role of CaV1.1ΔE29 in the normal development of skeletal muscle? How CaV1.1ΔE29 is implicated in ageing, diseased and/or regenerating muscle?
A thorough examination of the muscle fibers of the mouse model that solely expresses the Cav1.1Δ29 splice variant of the skeletal muscle voltage-gated calcium channel will contribute to our understanding of the signaling mechanism underlying skeletal muscle E-C coupling in different developmental phases and under pathological conditions (injury, regeneration, ageing).
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Achieving the aim of this project is of significant interest for the ion channel field and for muscle physiology. It will contribute to our understanding of the signaling mechanism underlying skeletal muscle excitation-contraction (E-C) coupling; namely it should reveal a new mode of E-C coupling active in developing mammalian muscle, and thus advance our knowledge of muscle physiology and developmental biology. We will get a description of the molecular basis of excitation-coupled Ca2+ entry (ECCE), by clarifying whether CaV1.1ΔE29 underlies this Ca2+ entry pathway. We can also ascertain if the other calcium entry mechanism (SOCE) is affected.
It is intriguing to consider the possibility that CaV1.1Δ29 may also play a role in some types of differentiated muscle. Observations indicating that CaV1.1ΔE29 is involved in malignant hyperthermia and several congenital myopathies (eg. CCD), as well as in muscle injury and regeneration, suggest a clinical relevance of this channel.
In light of the existence of a splice variant with dramatically different current properties and possible function during development, the effect of its expression, as well as the possible pathological consequences, need to be investigated. With the description of how the calcium release and removal machinery are altered in the knockout animals (expressing solely this CaV1.1ΔE29 Ca2+ channel) we would widen our knowledge about the molecular mechanisms behind the altered muscle functions.
Understanding of the underlying mechanisms of these processes (ie. altered E-C coupling) could also help in the development of a potentially safe therapy in muscle diseases releated to altered calcium hoeostasis.
While in Innsbruck all methods of cellular and developmental biology are performed successfully, our group in Debrecen is expert in examining all aspects of muscle function, from calcium homeostasis to contraction. This favorable association of our research facilities provides a unique potential for an extensive study of the newly described CaV1.1ΔE29 Ca2+ channel. Moreover, this collaboration would help the exchange of PhD students to facilitate their education.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Several diseases have been proved to be the consequence of altered or damaged function of certain ion channels. Calcium entering through voltage-gated calcium channels is important for many processes during the development of nerve and muscle cells. Accordingly, altered calcium channel functions cause diseases and voltage-gated calcium channels are prime drugs targets for the treatment of cardio-vascular and neurological dysfunctions. In skeletal muscle the voltage-gated calcium channel was not associated with such a function so far because the amount of calcium influx through the skeletal muscle type calcium channels was believed not to be significant. However, our collaborators recently discovered a new isoform of Ca2+ channel, wich is present in skeletal muscle in developing phase and is able to let through a larger calcium current (known as CaV1.1ΔE29). They generated a knockout mice strain that expresses solely this splice variant and in this manner the complete characterization of this channel became possible. Previous observations indicated that CaV1.1ΔE29 is probably involved in malignant hyperthermia and several congenital myopathies (e.g. central core disease) and they suggest a clinical relevance of this channel. To examine the possible role of this isoform in muscle injury and regeneration provide a further clinical significance. Answering these questions will be important for our understanding of skeletal muscle physiology and can be expected to reveal fundamentally new roles of the skeletal muscle Ca2+ channel during development and adaptation to altered physical activity and disease.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| N. Sultana, B. Dienes, A. Benedetti, P.l Tuluc, P. Szentesi, M. Sztretye, J. Rainer, MW. Hess, C. Schwarzer, GJ. Obermair, L. Csernoch, BE. Flucher: Restricting calcium currents is required for correct fiber type specification in skeletal muscle, Development, bírálat alatt, 2016 | | D. Bodnar, O. Ruzsnavszky, T. Oláh, I. Balatoni, É. Ungvári, I. Benkő, J. Prokisch, L. Csernoch, P. Szentesi: DIETARY SELENIUM AUGMENTS SARCOPLASMIC CALCIUM RELEASE AND MECHANICAL PERFORMANCE IN MICE, Cellular and Molecular Life Science, közlésre beküldve, 2016 | | L. Csernoch, V. Jacquemond: Phosphoinositides in Ca2+ signaling and excitation–contraction coupling in skeletal muscle: an old player and newcomers, Journal of Muscle Research and Cell Motility DOI 10.1007/s10974-015-9422-4, 2015 | | J. Vincze, B. Dienes, P. Szentesi, L. Csernoch, D.R. Laver: Effects of triad geometry and RyR gating scheme on simulated skeletal muscle sparks, Biophysical Journal, 108, 261a., 2015 | | B. Dienes, N. Sultana, J. Vincze, M. Sztretye, P. Szentesi, B.E. Flucher, L. Csernoch: Calcium sparklets in intact mammalian skeletal muscle fibers expressing the embryonic CaV1.1 splice variant, Biophysical Journal, 108, 504a., 2015 | | P. Szentesi, B. Dienes, J. Vincze, N. Sultana, B.E. Flucher, L. Csernoch: The calcium homeostasis may change in some myotonic dystrophies, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 36, in press., 2015 | | L. Csernoch, B. Dienes, P. Szentesi, N. Sultana, B.E. Flucher: Alteration in store operated calcium entry mechanism modifies SR calcium release, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 36, in press., 2015 | | Sultana Nasreen, Benedetti Ariane, Sztretye Mónika, Dienes Beatrix, Szentesi Péter, Tuluc Petronel, Quarta Serena, Obermair Gerald J, Schwarzer Christoph, Kress Michaela, Csernoch László, Flucher Bernhard E: Expression of the Embryonic Cav1.1 Splice Variant in Adult Mice Alters Excitation-Contraction Coupling but Does not Cause Dystrophic Myotonia, BIOPHYSICAL JOURNAL 106: p. 126a., 2014 | | D. Bodnar, N. Geyer, O. Ruzsnavszky, T. Olah, B. Hegyi, M. Sztretye, J. Fodor, B. Dienes, A. Balogh, Z. Papp Z, L. Szabo, G. Muller, L. Csernoch, P. Szentesi: Hypermuscular mice with mutation in the myostatin gene display altered calcium signaling., Journal of Physiology 592: 1353-1365, 2014 | | Tóth Adrienn, Fodor János, Vincze János, Oláh Tamás, Juhász Tamás, Zádor Ernő, Csernoch László: The effect of SERCA 1b shRNA on the differentiation of the C2C12 skeletal muscle cells, ACTA PHYSIOLOGICA 211: pp. 75-76., 2014 | | Vincze János, Szabó László Z, Dienes Beatrix, Szentesi Péter, Csernoch László: Increased Accuracy of Calcium Spark Parameter Detection using High-Speed Confocal Microscopy, BIOPHYSICAL JOURNAL 106: p. 532a, 2014 | | A. Tóth, J. Fodor, J. Vincze, T. Oláh, T. Juhász, R. Zákány, L. Csernoch, E. Zádor: The Effect of SERCA1b Silencing on the Differentiation and Calcium Homeostasis of C2C12 Skeletal Muscle Cells, PLoS One. 2015 Apr 20;10(4):e0123583. doi: 10.1371/journal.pone.0123583, 2015 | | Bodnar D, Geyer N, Ruzsnavszky O, Olah T, Hegyi B, Sztretye M, Fodor J, Dienes B, Balogh A, Papp Z, Szabo L, Muller G, Csernoch L, Szentesi P: HYPERMUSCULAR MICE WITH MUTATION IN THE MYOSTATIN GENE DISPLAY ALTERED CALCIUM SIGNALING., J PHYSIOL-LONDON 592: 1353-1365, 2014 | | Rodriguez EG, Lefebvre R, Bodnar D, Legrand C, Szentesi P, Vincze J, Poulard K, Bertrand-Michel J, Csernoch L, Buj-Bello A, Jacquemond V: Phosphoinositide substrates of myotubularin affect voltage-activated Ca(2)(+) release in skeletal muscle., PFLUG ARCH EUR J PHYS 466: (5) 973-985, 2014 | | EG. Rodriguez, R. Lefebvre,D. Bodnar, C. Legrand, P. Szentesi, J. Vincze, K. Poulard, J. Bertrand-Michel, L. Csernoch, A. Buj-Bello, V. Jacquemond: Phosphoinositide substrates of myotubularin affect voltage-activated Ca(2)(+) release in skeletal muscle., Pflughers Archive European Journal of Physiology 466: (5) 973-985, 2014 | | J. Vincze , L.Z. Szabó, B. Dienes, P. Szentesi, L. Csernoch: Efficient Automatic Analysis of High-Speed Confocal Images Containing Localized Calcium Release Events, Biophysical Journal 104: 437a, 2013 | | N. Sultana,A. Benedetti, M. Sztretye, B. Dienes, P. Szentesi, P. Tuluc, S. Quarta, GJ. Obermair, C. Schwarzer, M. Kress, L. Csernoch, BE. Flucher: Expression of the Embryonic Cav1.1 Splice Variant in Adult Mice Alters Excitation-Contraction Coupling but Does not Cause Dystrophic Myotonia, Biophysical Journal 106: p. 126a., 2014 | | J. Vincze, LZ. Szabó, B. Dienes, P. Szentesi, L. Csernoch: Increased accuracy of calcium spark parameter detection using high-speed confocal microscopy, Biophysical Journal 106: 532a, 2014 | | Dóra Bodnár, Nikolett Geyer, Olga Ruzsnavszky, Tamás Oláh, Bence Hegyi, Mónika Sztretye, János Fodor, Beatrix Dienes, Ágnes Balogh, Zoltán Papp, László Szabó, Géza Müller, László Csernoch and Péter Szentesi: HYPERMUSCULAR MICE WITH MUTATION IN THE MYOSTATIN GENE DISPLAY ALTERED CALCIUM SIGNALING, Journal of Physiology, in press, 2014 | | González Rodríguez E, Lefebvre R, Bodnár D, Legrand C, Szentesi P, Vincze J, Poulard K, Bertrand-Michel J, Csernoch L, Buj-Bello A, Jacquemond V: Phosphoinositide substrates of myotubularin affect voltage-activated Ca2+ release in skeletal muscle, Pflügers Archiv, in press, 2014 | | L. Csernoch, D. Bodnár, O. Ruzsnavszky, N. Geyer, B. Hegyi, B. Dienes, M. Sztretye, P. Szentesi: Myostatin Deficient Mice Display Altered Calcium Signaling, Biophysical Journal, 104, 289a., 2013 | | J. Vincze , L.Z. Szabó, B. Dienes, P. Szentesi, L. Csernoch: Efficient Automatic Analysis of High-Speed Confocal Images Containing Localized Calcium Release Events, Biophysical Journal, 104, 437a, 2013 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
