 |
Alterations in store-operated calcium entry and its relation to calcium homeostasis in skeletal muscle
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115461 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Csernoch, László József |
| Title in Hungarian |
Intracelluláris raktárak által vezérelt kalciumbelépés módosulásának szerepe a vázizmok kalciumhomeosztázisában |
| Title in English |
Alterations in store-operated calcium entry and its relation to calcium homeostasis in skeletal muscle |
| Keywords in Hungarian |
izom, kalciumhomeosztázis, izombetegség, SOCE |
| Keywords in English |
muscle, calcium homeostase, myopathies, SOCE |
| Discipline |
| Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Angyal, Ágnes
Balogh, Norbert
Bodnár, Dóra
Dienes, Beatrix
Dobrosi, Nóra
Dr. Gomba-Tóth, Adrienn
Fodor, János
Gaál, Zsuzsanna
Geyer, Nikolett
Horváth, József
Jóna, István
Kovács, Elek Gergő
Oláh, Tamás
Szentesi, Péter Sándor
Vincze, János
|
| Starting date |
2016-01-01 |
| Closing date |
2019-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.976 |
| FTE (full time equivalent) |
20.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A külső térből történő kalciumbeáramlás vázizmok kalciumhomeosztázisában betöltött szerepe mind a mai napig vitatott. Egyes megfigyelések szerint a hosszan tartó ingerlésre adott megfelelő válasz csak külső kalcium jelenlétében figyelhető meg. A raktárak által vezérelt, valamint a depolarizációhoz köthető kalciumbelépés (SOCE ill. ECCE), vázizmokon történt leírása felvetette, hogy e két mechanizmus lehet felelős a szarkoplazmatikus retikulumból (SR) történő kalciumfelszabadulás részleges fennmaradásáért hosszantartó ingerlést követően. Ugyanakkor, a SOCE működése vázizmokon eltér más sejteken megfigyelttől, az SR kalcium szenzorai – a STIM1 molekulák – már eleve összekapcsolt állapotban találhatók, készen arra, hogy aktiválják a felszíni membrán Orai1 csatornáit.
Nem ismert azonban, hogy pontosan milyen szerepet tölt be a SOCE/ECCE a fáradásban, különös tekintettel azon izmainkra, melyek folyamatosan működnek (rekeszizom, szemmozgató izmok) és más izmokkal ellentétben a rianodin receptor 3-as izoformáját (RyR3) nagy mennyiségben expresszálják. Felderítésre vár szerepük azokban az elváltozásokban is, amelyekre a fokozott fáradékonyság a jellemző. Munkánkban célul tűztük ki, hogy meghatározzuk a SOCE kialakításáért felelős molekulák összerendeződését befolyásoló tényezőket, valamint az SR-ből történő kalciumfelszabadulás és a kalciumbelépés kapcsolatát wt és RyR3 knock-out egereken. Tervezzük annak meghatározását, hogy milyen szerepet tölt be a SOCE/ECCE az öregedő és/vagy iszkémiás vázizomban. Választ keresünk arra is, hogy a SOCE növelése, a STIM1 és/vagy Orai1 molekulák expressziójának fokozása útján, javítaná-e az izomműködést ezekben a patológiás állapotokban.
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.
Hosszantartó ingerlés során az extracelluláris térből történő kalciumbelépés fontos szerepet játszhat a szarkoplazmatikus retikulum megfelelő töltöttségében, s ezen keresztül a kielégítő kalciumfelszabadulásban. Ez, feltehetően a raktárak által vezérelt (SOCE) vagy a depolarizációhoz kapcsolt kalciumbelépés (ECCE) útján valósul meg. Vázizmokon, nem-ingerelhető sejtekkel ellentétben, a SOCE létrehozásáért felelős molekulák – STIM1 és Orai1– a triád területén találhatóak. Feltételezzük, hogy a STIM1 elhelyezkedéséért az SR strukturális fehérjéivel – ankyrin és obscurin – kialakított kapcsolat a felelős. Azok az izmaink, melyeket folyamatosan használunk, a rianodin receptor (RyR) 3-as izoformáját nagyobb mennyiségben expresszálják. Hipotézisünk szerint a megváltozott RyR3 expresszió együtt jár a SOCE módosulásával, mely egyúttal biztosítja, hogy ezek az izmok kevésbé legyenek fáradékonyak. Hasonlóképpen, a felszíni membrán L-típusú, feszültség-vezérelt kalcium csatornáin (Cav1.1) át történő kalciumbelépés, az ECCE, megváltozása – olyan izmokban ahol a Cav1.1ΔE29 variáns van jelen – módosíthatja a SOCE szerepét a fáradásban. Ez, következményesen, megváltoztathatja az intracelluláris kalciumhomeosztázist, az izomrosttípus-függő gének expresszióját, hozzájárulva az izomrost-összetétel megváltozásához. Egyes patológiás állapotokban a fáradékonyság megnő. Az előzőek alapján feltételezzük, hogy a megváltozott SOCE/ECCE is felelős lehet az öregedés során – sarcopenia – és/vagy iszkémiás állapotban kialakuló csökkent izomfunkcióért. Következményesen, a STIM1 és Orai1 overexpressziója javíthatja az izom teljesítőképességet azokban az esetekben, amikor az izom fáradékonysága fokozott.
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 céljainak elérése mind az ioncsatornák működése, mind az izomélettan szempontjából jelentős új ismereteket ígér. A megválaszolni kívánt kérdések közelebb visznek a vázizom elektromechanikai (EC) kapcsolatának hátterében álló jelátviteli folyamatok megértéséhez. Rávilágítanak arra, hogy a külső térből történő kalciumbelépés milyen szerepet játszik a kalciumhomeoszázisban folyamatos ingerlés esetén ezáltal növelve ismereteinket a fáradás és az izomélettan területén.
Munkánk részeként leírjuk a raktárak által vezérelt (SOCE) és a depolarizációhoz köthető kalciumbelépés (ECCE) szerepét vázizmok EC-kapcsolatában, különös figyelmet fordítva arra, hogy ezek a folyamatok miként vesznek részt a szarkoplazmatikus retikulum (SR) kalciummal történő újratöltődésében. Ennek megértéséhez tanulmányozzuk a SOCE kialakításában résztvevő molekulák – STIM1 és Orai1 – lehorgonyzásáért felelős mechanizmusokat. Különböző rianodin receptor (RyR) izoformákat és egyúttal eltérő fáradékonyságot mutató izmok vizsgálatával fényt deríthetünk a RyR 3-as izoformája (RyR3) megjelenése és a csökkent fáradékonyság közötti esetleges kauzatív kapcsolatra, továbbá a SOCE és az ECCE szerepére a fáradásban. Genetikusan módosított állatok – RyR3, Ankyrin1.5 és obscurin knock-out, valamint a Cav1.1ΔE29 splice variánsát expresszáló egerek – vizsgálata rámutathat az egyes érintett molekulák szerepére a SOCE és az ECCE kialakításában.
Mind a SOCE megváltozását, mind a feszültség-vezérelt kalciumcsatornákon át történő kalcium belépés módosulását összekapcsolták már patológiás folyamatokkal is. Számos tanulmány utal a SOCE szerepére degeneratív izombetegségekben, többek között Duchenne izomdisztrófiában. Megfigyelések arra is utalnak, hogy a CaV1.1ΔE29 expressziójához köthető ECCE szerepet játszhat a malignus hipertermiában és egyéb, veleszületett myopathiákban, valamint izomsérülésben és –regenerációban is. Ezek az egyre növekvő számú megfigyelések klinikai jelentőséget is adnak a megváltozott kalciumbelépés vizsgálatának.
Így a SOCE és az ECCE mechanizmusának pontosabb megismerése, azok megváltozását előidéző mechanizmusok feltárása elősegítheti a kalciumhomeosztázis módosulásából eredő izombetegségek kezelésének kifejlesztését.
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.
A mozgásszervi megbetegedéseket kísérő inaktivitás hátterében, sok esetben az izmok gyengülése vagy sorvadása áll. Bármilyen terápia, ami lassítani tudná az öregkori izomsorvadást vagy gyorsítani a sérülések utáni izomregenerációt, csökkentve ezzel az érintett betegek számát, jelentős pozitív nemzetgazdasági és társadalmi hatással járna. Az idős emberek mozgásképtelensége, helyhez kötöttsége nemcsak önmaguknak, hanem családjuknak és környezetüknek is megterhelést jelent, amely – tekintettel az öregedő népességre – várhatóan egyre nagyobb szociális és egészségügyi többletkiadásban is meg fog mutatkozni. Ugyanakkor az egyébként egészséges, de mozgásszegény életmódot folytató emberek körében is jellemző, hogy izmaiknak nemcsak a teljesítőképessége csökkent, de azok fáradékonyabbak is. Bár ehhez a légzési és keringési szervrendszer nem kielégítő működése is hozzájárul, izmaink fáradékonyságának hátterében ilyenkor is ugyan azok a jelenségek állnak, mint ami az időskori, vagy betegségekhez köthető állapotot jellemzi.
Kutatásuk fő célkitűzése, épp ezért, azoknak a mechanizmusoknak a feltárása, melyek növelik izmaink fáradással szembeni ellenállóképességét. Munkánk során azon izmok működésének molekuláris jellemzőit kívánjuk tanulmányozni, melyek folyamatos használatban vannak (rekeszizom, szemmozgató izmok), mégsem jellemző rájuk a gyors fáradás. Az így nyert eredmények más izmokról származó hasonló adatokkal történő összevetése hozzájárulhat a fáradás hátterének pontosabb megértéséhez, és olyan új terápiás beavatkozások kidolgozásához, melyek az izmok teljesítőképességének növelésével segíthetik az arra rászorulókat.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The role of extracellular calcium entry – store-operated (SOCE) or excitation-coupled (ECCE) – in the regulation of skeletal muscle calcium homeostasis remains elusive. It has been generally accepted that excitation-contraction coupling in skeletal muscle does not require external calcium to function. Early as well as recent studies have pointed out that extracellular calcium is essential for skeletal muscles to properly respond to long-term stimulations. Description of SOCE and ECCE in muscle fibers led to the suggestion that these mechanisms could be responsible for the partial maintenance of calcium release from the sarcoplasmic reticulum (SR) during fatiguing stimulation. However, SOCE in skeletal muscle seems to be different from other cell types. The SR calcium sensor, STIM1 expressed here is a different isoform than in other cells and appears to be already pre-assembled, ready to activate its partner – Orai1 channels – in the surface membrane.
What regulates this assembly, how is SOCE/ECCE involved in fatigue – especially in muscles which are constantly in use (e.g. diaphragm, extraocular muscle) and express excess amounts of type-3 ryanodine receptors (RyR3), and finally in pathologies associated with reduced force, remains to be answered. The aims of the study thus are to describe the requirements for the pre-assembly of SOCE partners, as well as to measure SR calcium release and SOCE in wt and RyR3 knock-out mice. We also plan to establish the relative contribution of SOCE/ECCE in aging and/or in chronically ischemic muscles and to test whether increasing SOCE by the overexpression of STIM1 and/or Orai1 would improve muscle performance under these conditions.
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.
During fatiguing stimulation external calcium influx is thought to be essential to maintain proper sarcoplasmic reticulum (SR) calcium filling and, consequently, appropriate calcium release from the internal stores. This is achieved by the activation of either store-operated (SOCE) or excitation-coupled calcium entry (ECCE). It is not yet clear how in skeletal muscle, unlike in non-excitable cells, partners of SOCE – STIM1 (SR calcium sensor) and Orai1 (surface membrane calcium channel) – are pre-assembled in the triadic junction. We hypothesize that SR structural proteins – ankyrin and obscurin – play a role in the anchoring of STIM1 to pre-formed positions. Certain skeletal muscles that are continuously in use, overexpress the type3 isoform of RyR. We assume that different expression of RyR isoforms in these muscles is accompanied by altered SOCE. This then enables them to be more fatigue resistant. Similarly, altered calcium influx through surface membrane voltage-gated L-type calcium channels (Cav1.1) – in muscles carrying the Cav1.1ΔE29 variant – modifies ECCE and thus the contribution of SOCE to fatigue. This in turn influences fiber type-specific gene expression and thus contributes to the development of muscles with altered fiber-type composition. Under specific pathological conditions muscle performance is reduced and fatigability is increased. We hypothesize that altered SOCE/ECCE underlies the reduced performance associated with aging – sarcopenia – and/or with chronic ischemic conditions. Furthermore, in cases when muscle fatigability is increased the overexpression either of the SOCE interacting partners – STIM1 or Orai1 – would improve muscle performance.
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 specific aims 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 (EC) coupling; namely it should reveal how the influx of external calcium contributes to the calcium homeostasis during prolonged stimulation and thus advance our knowledge on fatigue in particular and of muscle physiology in general.
We will get a description of the contribution of store-operated (SOCE) and of excitation-coupled calcium entry (ECCE) during EC-coupling with a special emphasis on how these processes contribute to sarcoplasmic reticulum (SR) calcium filling during fatiguing stimulation. To advance the knowledge in this field the molecular mechanisms responsible for anchoring the SOCE partners – STIM1 and Orai1 – will be looked for. Different muscles with different ryanodine receptor (RyR) isoform composition and fatigability will be investigated, which should reveal any possible causative connection between type-3 RyR (RyR3) expression, the contribution of SOCE and/or of ECCE to SR filling and fatigue. Genetically modified animals – RyR3, Ankyrin1.5, and obscurin knock-out mice together with mice expressing the Cav1.1ΔE29 splice variant of the L-type calcium channel – will help to pinpoint the role of the particular molecules in SOCE and ECCE.
Altered SOCE as well as modified calcium influx through voltage-gated calcium channels have been linked to human diseases, too. A number of studies have suggested a role of SOCE in degenerative muscle disorders, especially in Duchenne Muscular Dystrophy. Observations also indicate that ECCE associated with the expression of CaV1.1ΔE29 could be involved in malignant hyperthermia (MH) and in several congenital myopathies (e.g. CCD), as well as in muscle injury and regeneration. These findings suggest a direct clinical relevance of modified calcium influx in skeletal muscle.
Taken together, the understanding of the underlying mechanisms of these processes – i.e. altered SOCE and ECCE – could help in the development of a potentially safe therapies in skeletal muscle diseases related to altered calcium homeostasis.
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.
In many cases the inactivity that accompanies locomotor diseases is caused by skeletal muscle weakness or wasting. Any therapy that would be able to slow down the loss of muscle mass in the elderly or to accelerate the regeneration of muscles after injuries would, by reducing the number of patients suffering from these problems, have a great impact on social economy. Disuse atrophy in people who are bedridden and unable to move about in order to exercise their muscles have negative effects not only on their own life but on their family members and friends as well. Not to mention the associated social and healthcare expenses, which due to the aging population are likely to increase. Moreover, the otherwise healthy individuals who follow a sedentary lifestyle not only have reduced muscle performance but also experience increased fatigability. While this is in part due to inappropriate respiratory and cardio-vascular conditions, the mechanisms underlying the accelerated fatigue in the skeletal muscles shares a common mechanism with those seen in the elderly or in the sick.
The major aim of the present work is, therefore, to enlighten the mechanisms that contribute to fatigue-resistance in skeletal muscle by studying the underlying molecular machineries in muscles which are continuously in use (diaphragm, extraocular muscle) yet fatigue much slower. By comparing these results to those obtained from other muscles we hope to gain further insight into the background of muscle fatigue, and to contribute to the development of potential therapies which by increasing muscle performance would help those in need.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Bodnár D., Ruzsnavszky O., Oláh T., Dienes B., Balatoni I., Ungvári É., Benkő I.., Babka B., Prokisch J., Csernoch L., Szentesi P.: Dietary selenium augments sarcoplasmic calcium release and mechanical performance in mice., Nutrition and Metabolism 13:76, 2016 | | Oláh T., Bodnár D., Toth A., Vincze J., Fodor J., Reischl B., Kovacs A., Ruzsnavszky O., Dienes B., Szentesi P., Friedrich O., Csernoch L.: Cannabinoid signalling inhibits sarcoplasmic Ca2+ release and regulates excitation-contraction coupling in mammalian skeletal muscle., Journal of Physiology, 594(24):7381-7398., 2016 | | Beatrix Dienes, János Vincze, Péter Szentesi, Nasreen Sultana, Berhnard E. Flucher, László Csernoch: Spontaneous and Voltage-Activated Elementary Calcium Release Events in Intact Skeletal Muscle Fibers Expressing the Embryonic CaV1.1 Splice Variant, Biophysical Journal 110 : 3 p. 97a. -, 2016 | | László Csernoch, János Fodor, Dána Al-Ghaadi, Tamás Czirják, Tamás Oláh, Beatrix Dienes, Péter Szentesi: Modified calcium homeostasis in aged mouse skeletal muscle, Biophysical Journal 112:3, p. 99a., 2017 | | Kutchukian C., Szentesi P., Allard B., Trochet D., Beuvin M., Berthier C., Tourneur Y., Guicheney P., Csernoch L., Bitoun M., Jacquemond V.: Impaired excitation-contraction coupling in muscle fibres from the dynamin2R465W mouse model of centronuclear myopathy, Journal of Physiology 595(24):7369-7382., 2017 | | Sztretye M., Geyer N., Vincze J., Al-Gaadi D., Oláh T., Szentesi P., Kis G., Antal M., Balatoni I., Csernoch L., Dienes B.: SOCE Is Important for Maintaining Sarcoplasmic Calcium Content and Release in Skeletal Muscle Fibers, Biophysical Journal, 113(11):2496-2507., 2017 | | Fodor J., Gomba-Tóth A., Oláh T., Zádor E., Tóth Z.C., Ioannis I., Molnár B., Kovács I., Csernoch L.: Alteration of sarcoplasmic reticulum Ca2+ ATPase expression in lower limb ischemia caused by atherosclerosis obliterans, Physiology International, 104(2):183-192., 2017 | | Fodor J., Gomba-Tóth A., Oláh T., Almássy J., Zádor E., Csernoch L.: Follistatin treatment suppresses SERCA1b levels independently of other players of calcium homeostasis in C2C12 myotubes, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 38(2):215-229., 2017 | | Launikonis BS, Cully TR, Csernoch L, Stephenson DG: NHE- and diffusion-dependent proton fluxes across the tubular system membranes of fast-twitch muscle fibers of the rat, J Gen Physiol;150(1):95-110. doi: 10.1085/jgp.201711891, 2018 | | Péter Szentesi, László Csernoch, László Dux, Anikó Keller-Pintér: Changes in redox signaling in skeletal muscle during aging, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2019 | | Szentesi P., Collet C., Takacs M., Szabo L., Csernoch L.: ELEMENTARY CALCIUM RELEASE EVENTS AND CALCIUM WAVES IN SKELETAL MUSCLE FIBERS OF THE HONEY BEE APIS MELLIFERA, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2019 | | László Csernoch, Mónika Gönczi, Beatrix Dienes, Péter Szentesi, Norbert Balogh, János Fodor: The role of septins in skeletal muscle, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2019 | | Claude Collet, Cecilia Simut, Marianna Takacs, Laszlo Szabo, Peter Szentesi, Laszlo Csernoch: Subcellular Calcium Events and Calcium Waves in Leg Skeletal Muscle Fibers Isolated From the Honey Bee APIS Mellifera, Biophysical Journal, 114, 289a, 2018 | | Péter Szentesi, László Csernoch, László Dux, Anikó Keller-Pintér: Changes in redox signaling in skeletal muscle during aging, Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019:4617801., 2019 | | Mónika Sztretye, Beatrix Dienes, Mónika Gönczi, Tamás Czirják, László Csernoch, László Dux, Péter Szentesi, Anikó Keller-Pintér: Astaxanthin: A Potential Mitochondrial-Targeted Antioxidant Treatment in Diseases and with Aging, Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019: 3849692., 2019 | | Enrico Pierantozzi, Péter Szentesi, Dána Al-Gaadi, Tamás Oláh, Beatrix Dienes, Mónika Sztretye, Daniela Rossi, Vincenzo Sorrentino, László Csernoch: Calcium Homeostasis Is Modified in Skeletal Muscle Fibers of Small Ankyrin1 Knockout Mice, International Journal of Molecular Sciences. 20(13), 3361, 2019 | | Candice Kutchukian, Peter Szentesi, Bruno Allard, Ana Buj-Bello, Laszlo Csernoch, Vincent Jacquemond: Ca2+-induced sarcoplasmic reticulum Ca2+ release in myotubularin-deficient muscle fibers, Cell Calcium. 80, 91-100., 2019 | | Zsuzsanna Édua Magyar, Gyula Diszházi, Judit Péli-Szabó, Péter Szentesi, Claude Collet, László Csernoch, Péter Nánási, János Almássy: The diamide insecticide chlorantraniliprole increases the single-channel current activity of the mammalian skeletal muscle ryanodine receptor, General Physiology and Biophysics. 38, 183–186., 2019 | | Mónika Gönczi, Beatrix Dienes, Nóra Dobrosi, János Fodor, Norbert Balogh, Tamás Oláh, László Csernoch: Septins, a cytoskeletal protein family, with emerging role in striated muscle, Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2020 | | János Fodor, Dána Al-Gaadi, Tamás Czirják, Tamás Oláh, Beatrix Dienes, László Csernoch, Péter Szentesi: IMPROVED CALCIUM HOMEOSTASIS AND FORCE BY SELENIUM TREATMENT AND TRAINING IN AGED MOUSE SKELETAL MUSCLE, Scientific Reports 10:1707., 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
