Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Biochemistry
Panel
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent
Institute of Molecular Pharmacology (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Csókay, Katalin Hegedűs, Luca Padányi, Rita Varga, Karolina
Starting date
2012-01-01
Closing date
2015-12-31
Funding (in million HUF)
20.370
FTE (full time equivalent)
10.80
state
closed project
Summary in Hungarian
ÖSSZEFOGLALÓ: A Ca2+ jelátvitel fontos elemei a plazmamembrán Ca2+ATPázok (PMCA), amelyek fő feladata, hogy a Ca2+ ionok citoszólból történő eltávolításával csökkentsék a jelátvitel során megnövekedett Ca2+ szintet. A PMCA helyes működéséhez nélkülözhetetlen, hogy a fehérje a megfelelő membránkompartmentbe kerüljön. Az egyes PMCA izoformák hiánya által okozott betegségek mutatják, hogy mennyire fontos a PMCA fehérjék jelenléte ezekben a kompartmentekben Példaképpen a PMCA2 hiánya a belső fül szőrsejtjeiben süketséget, az agy egyes területein idegrendszeri tüneteket okoz. Legújabb eredményeink azt mutatják, hogy a PMCA kapcsolódása egyes állványfehérjékhez elősegíti a fehérje speciális membránkompartmentekbe való szerveződését mely végsősoron a PMCA hatékonyabb működését eredményezheti. Jelen pályázatunk fő célkitűzései: (1) a PMCA fehérjék lokalizációs jeleinek meghatározása; (2) annak vizsgálata, hogy a PMCA izoformák specifikus lokalizációja, valamint az eltérő aktiválódási kinetika milyen hatással van a Ca2+ jelek mintázatára élő sejtekben. A PMCA sejten belüli mozgását polarizált epitél sejtekben konfokális fluoreszcens technikával és biokémiai módszerekkel (biotiniláció, membrán szeparálás) is tanulmányozzuk. A funkcionális mérésekhez olyan fúziós fehérjéket hozunk létre, melyekben a PMCA-hoz genetikusan Ca2+ szenzorokat kapcsolunk. Kutatásaink rávilágítanak arra, hogyan kerülnek a különféle PMCA izoformák a megfelelő membránkompartmentbe, valamint a PMCA fehérjék speciális eloszlása a plazmamembránban hogyan járul hozzá a lokális illetve globális Ca2+ jelek kialakításához.
HIPOTÉZIS: A plazmamembrán kalcium ATPáz (PMCA) a kalcium jelátvitel működéséhez szükséges alacsony intracelluláris kalcium koncentráció fenntartásában játszik szerepet. A legújabb eredmények azt mutatják, hogy a PMCA fehérjék részt vesznek ezenkívül lokális kalcium jelek alakításában is, aminek feltétele, hogy a kalcium pumpa a megfelelő membránkompartmentbe kerüljön. Ez különösen fontos polarizált sejtekben (pl epitél sejtekben vagy idegsejtekben), ahol a kalcium jelek összetett térbeli és időbeli mintázattal rendelkeznek. Amennyiben egy PMCA variáns nem jelenik meg az adott membránkompartmentben a megfelelő koncentrációban, különféle betegségek alakulhatnak ki (pl. halláskárosodás, Alzheimer betegség). Nem ismert még azonban, hogy a különböző PMCA izoformák hogyan jutnak el a megfelelő membránkompartmentbe, miért maradnak bizonyos lokális kalcium-jelátviteli doménen belül, és hogyan vesznek részt lokális és globális Ca2+ jelek elindításában és alakításában. A kutatásaink célja, hogy megértsük a PMCA fehérjék sejten belüli mozgásának mechanizmusát. Vizsgálni szeretnénk, hogy a különböző membrán doménekben elhelyezkedő PMCA izoformák hogyan befolyásolják a lokális Ca2+ influx által kiváltott Ca2+ jeleket. PMCA-hoz kapcsolt Ca2+ szenzorokkal elsőként szeretnénk tanulmányozni, hogy a különféle PMCA izoformák hogyan vesznek részt a Ca2+ tranziensek lokális szabályozásában.
A KUTATÁS JELENTŐSÉGE: A plazmamembrán kalcium pumpa (PMCA) család az egyik fő transzportrendszer, ami egyfelől részt vesz a nyugvó szabad kalciumion koncentráció hosszútávú szabályozásában, másfelől befolyásolja a Ca2+ jelátvitel során kialakuló átmeneti kalciumkoncentráció emelkedéseket. Egyes PMCA izoformák speciális membránkompartmentekben helyezkednek el (pl a szőrsejtek sztereociliumaiban vagy a szívizomsejtek kaveoláiban), ami azt jelzi, hogy a kalcium pumpa jelentős szerepet játszik a különféle sejtek lokális kalcium jeleinek a kialakításában is. A PMCA molekulák mutációja súlyos egészségkárosodáshoz vezethet (pl. ataxia, halláskárosodás, az anyatej kalcium koncentrációjának csökkenése vagy károsodott sperma motilitás). Csökkent PMCA expresszió az agy egyes területein idegrendszeri tüneteket okoz, valamint olyan neurodegeneratív rendellenességek kialakulásához vezethet, mint az Alzheimer-kór, Parkinson-kór és stroke. Azáltal, hogy megértjük az egyes PMCA izoformák megfelelő membránkompartmentbe kerülésének molekuláris hátterét, valamint hogy a speciális lokalizációval és eltérő kinetikai jellemzőkkel rendelkező PMCA variánsok hogyan befolyásolják a lokális és globális Ca2+ jeleket, közelebb kerülhetünk a patológiás folyamatok mögött álló mechanizmusok megértéséhez.
KÖZÉRTHETŐ ÖSSZEFOGLALÓ: A sejtek normális működéséhez elengedhetetlen az alacsony belső kalcium koncentráció fenntartása, mely a sejteket érő különböző jelek hatására megemelkedik. A nyugvó szint helyreállításában valamint a kalcium jelek finom szabályozásában lényeges szerepe van a sejtek membránjában található kalcium pumpáknak, melyek képesek a sejtekben felhalmozódó kalcium gyors és hatékony eltávolitására. Csak a megfelelő helyen (polarizált hámsejtek alján vagy tetején, idegsejtek preszinaptikus végződésein, vagy posztszinaptikus tüskéin) kifejeződő pumpák képesek azonban az adott sejt funkciójának megfelelő térbeli és időbeli kalcium mintázat kialakítására. Amennyiben egy pumpafehérje nem jelenik meg megfelelő mennyiségben az adott sejtfelszínen, különféle betegségek alakulhatnak ki, pl. halláskárosodás vagy a sokakat érintő Alzheimer betegség. Kutatásaink során azt vizsgáljuk, hogyan jutnak el a pumpafehérjék a megfelelő sejtfelszini területekre és speciálisan kifejlesztett érzékelő fehérjék segitségével tanulmányozzuk hogyan befolyásolják ezeken a helyeken a kalcium jeleket. Azáltal, hogy megértjük, mi szabályozza a pumpák térbeli megoszlását és hogyan befolyásolják ezek a fehérjék a sejt felszínéhez közeli és mélyebben fekvő Ca2+ jeleket, közelebb kerülhetünk számos patológiás folyamat (pl. süketség, idegrendszeri tünetek) mögött álló mechanizmus megértéséhez, ami hosszú távon terápiás megoldásokhoz vezethet.
Summary
SUMMARY: Plasma membrane calcium ATPases (PMCAs) are the main off mechanisms of the Ca2+ signal. Correct function of PMCAs requires proper targeting to specific membrane compartments. The importance of PMCA function at these compartments is illustrated by diseases such as deafness caused by a lack of PMCA2 in the stereocilia of inner ear hair cells, or compromised neuronal function due to reduced PMCA expression in the aging brain. Our recent studies revealed that interactions with scaffold proteins can increase the level of PMCAs in specific membrane compartments that may influence their Ca2+ pumping capacity. The main goal of the present proposal is (1) to find localization signals in the PMCAs; and (2) to understand how their unique localization and activation kinetics affect the pattern of Ca2+ signaling in the living cell. The studies will involve a multidisciplinary approach combining biochemical (biotinylation, membrane fractionation) and cellular (confocal microscopy) techniques to identify the trafficking mechanism of PMCA proteins in epithelial cells. For functional studies genetically engineered Ca2+ sensors tethered to specific PMCA molecules will be developed. These studies will help to understand how different PMCA isoforms are sent to specific membrane compartments and how they contribute to global and local Ca2+ signaling.
HYPOTHESIS: Plasma membrane calcium pumps (PMCAs) help maintain the low intracellular Ca2+ concentration that is a crucial requirement for Ca2+ signaling. Recent indications that the PMCAs are involved in shaping local Ca2+ signals mean that they must be properly targeted to specific membrane compartments. This is especially important in polarized cells such as epithelial cells or neurons, whose Ca2+ signaling shows complex spatial and temporal pattern. Thus, failure to target and concentrate specific PMCAs in distinct membrane domains leads to pathologies including hearing loss or Alzheimer disease. However, it is not yet known how different PMCAs are targeted to specific plasma membrane compartments, how they are restricted to local calcium signaling domains, and how they participate in the generation and termination of local and global Ca2+ signals. The goal of this project is to understand the mechanism of PMCA trafficking, and to investigate how different PMCAs localized in distinct membrane compartments affect Ca2+ signals generated by local Ca2+ influx. Our studies will for the first time address the functional contribution of different PMCA isoforms in the local control of Ca2+ transients using PMCA-targeted Ca2+ sensors.
SIGNIFICANCE: The plasma membrane calcium pumps (PMCAs) represent the major transport system at the plasma membrane responsible for the long term regulation of resting free calcium concentration and working against transient increases in intracellular Ca2+ concentration that occur during Ca2+ signaling. The unique localization of particular PMCA isoforms in stereocilia of auditory hair cells or in the caveolae of cardiomyocytes suggests the importance of these pumps in shaping calcium signals at different membrane locations of different cell types. Mutations in PMCA molecules can result in severe health impairments such as ataxia, hearing loss, a substantial reduction of milk calcium or impaired sperm motility. Reduced PMCA expression can result in compromised neuronal function in the aging brain and a several-fold increased susceptibility to neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and stroke. Understanding the molecular determinants that direct different PMCAs to specific membrane compartments and finding out how unique PMCA isoforms with different targeting and kinetic characteristics affect global and local Ca2+ signaling will help understanding the underlying mechanisms of these pathological conditions.
Events of the project
2012-01-03 14:09:48
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Biomolekuláris Kémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Molekuláris Farmakológiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont).
