Schaltmechanismus von karzinogenen Orai Kalzium-Kanal-Mutanten

Kalzium (Ca2+) fungiert im menschlichen Körper als essentieller Signalstoff, welcher eine Vielzahl von lebenswichtigen Zellfunktionen reguliert. Es erhält die Selbstregulation von Zellen und liefert unabdingbare Langzeitsignale. Diese wiederum aktivieren zahlreiche Signalwege innerhalb der Zelle, die für die Aufrechterhaltung und korrekte Funktion des menschlichen Immunsystems unerlässlich sind. Darunter fallen Mastzell-Degranulation bei allergischen Reaktionen und die Sekretion von Zytokinen, welche wichtig für Zellwachstum und Spezialisierung der Zelle sind. Des Weiteren nimmt der Botenstoff Kalzium Einfluss auf die Bildung von Immunzellen, die Abtötung von infizierten oder krebsartigen Zielzellen und die Aktivierung von spezifischen Genen. Kalzium kann über sogenannte CRAC (Ca2+ release activated Ca2+) Kanäle, welche nach Entleerung zell-interner Kalziumspeicher geöffnet werden, in das Zellinnere gelangen. Erst kürzlich wurden die molekularen Komponenten dieses CRAC Kanals identifiziert: Der im Inneren der Zelle ansässige Kalzium-Sensor, STIM1 und die kalziumselektive Pore des Kanals in der Zellmembran, Orai1. Veränderter Kalziumeinstrom über CRAC Kanäle wird mit einigen pathophysiologischen Prozessen, also krankhaften Veränderungen im menschlichen Körper, wie zum Beispiel Arteriosklerose (Gefäßverkalkung) oder Krebsentstehung, in Verbindung gebracht. Viele wissenschaftliche Studien sprechen dem Orai1-Protein eine elementare Rolle in der Krebsentstehung zu. Eine wichtige Funktion spielt dieses Protein demnach bei Hodenkrebs, Unterleibskrebs und Gehirntumoren, sowie bei Metastasierung, der Streuung von Tumoren im Körper. CRAC Kanäle haben somit eine Schlüsselfunktion bei einer Vielzahl von menschlichen Krankheiten und bergen bedeutsames klinisches Anwendungspotential hinsichtlich möglicher Gentherapie. In meinem Projekt Schaltmechanismen von karzinogenen Orai1 Ionenkanal-Mutanten werde ich Mutationen im Orai Protein untersuchen, die in einigen Krebsstudien an Patienten identifiziert wurden. Ich möchte entschlüsseln, wie diese Mutationen auf den Kalziumhaushalt der Zelle und schlussendlich auf die Krebsentstehung Einfluss nehmen. Dafür werde ich diese Mutanten zuerst hinsichtlich ihrer Lokalisierung innerhalb der Zelle untersuchen, um eine korrekte Kanalbildung nachzuweisen. Des Weiteren werde ich die Interaktion von den Orai Mutanten mit STIM1, die Kanalöffnung und dessen Durchlässigkeit charakterisieren. Zusätzlich ziele ich darauf ab, deren Effekt auf die Aktivierung von spezifischen Genen in Immun- und Krebszellen aufzuschlüsseln. Dieses Projekt wird wesentliche Erkenntnisse darüber liefern, in welcher Weise Mutationen in Orai Proteinen Kalzium-abhängige Prozesse in Krebszellen beeinflussen. Zu wissen, wie in Krebszellen Kalziumkanäle aktiviert/gesteuert werden und wie dies auf die Kalziumsignalwege in der Zelle wirkt, ist ein essentieller Schritt, um die weiteren physiologischen und pathophysiologischen Funktionen von CRAC Kanälen in Krebszellen erforschen zu können. Davon kann die medizinische Behandlung von Krebspatienten in hohem Maße profitieren.

Das Ca2+ Ion hält die Zellhomöostase aufrecht und liefert langfristige Ca2+ Signale. Diese Signale regeln verschiedene Prozesse, die für die korrekte Funktion des menschlichen Immunsystems unerlässlich sind. Ca2+ gelangt in die Zelle über so genannte Ca2+ release activated Ca2+ (CRAC) Kanäle, die bei Verringerung der Ca2+ Konzentration interner Zellspeicher aktiviert werden. Die molekularen Schlüsselproteine des CRAC-Kanals sind der ER - lokalisierte Ca2+ Sensor, STIM1 und die Ca2+ selektive Ionenpore, Orai1, in der Membran. Neben seiner Rolle bei allergischen Reaktionen, der Differenzierung von Immunzellen und der Gentranskription, wurde eine Veränderung des Ca2+ Einstroms über CRAC-Kanäle auch mit vielen pathophysiologischen Prozessen wie Atherosklerose und Krebsprogression assoziiert. Heutzutage betonen viele Studien eine zentrale Rolle der Orai-Proteine bei der Tumorentstehung wie beispielsweise bei Prostatakrebs, Glioblastomen, Gebärmutterhalskrebs und bei deren Progression und Metastasierung. CRAC-Kanäle spielen daher eine wesentliche Rolle bei einer Vielzahl von Krankheiten und bergen wichtige klinische Anwendungen. Im Rahmen des Projekts mit dem Titel Schaltmechanismus von kanzerogenen Orai-Kalzium-Kanalmutanten zielte ich darauf ab, Mutationen in Orai Proteinen systematisch zu untersuchen, die aus derzeit 89 Studien von Krebspatienten stammen. Meine Forschungsfrage war: Welchen Einfluss haben diese Mutationen auf die Ca2+ Homöostase und die nachgelagerten Signalwege? Mein Team und ich charakterisierten diese krebsbezogenen Orai-Mutanten in Bezug auf veränderte Lokalisierung innerhalb der Zelle, Interaktion mit STIM1 Proteinen und Kanaldurchlässigkeit. Darüber hinaus wurden die nachgeschalteten Auswirkungen dieser Mutanten auf ihre physiologische Wirkung auf die Gentranskription in Immun- und Krebszellen untersucht. Dieses Projekt lieferte wichtige Einblicke in den einzigartigen Ca2+ Permeationsmechanismus durch krebsassoziierte Orai-Mutanten. Im Detail konnten wir zeigen, dass krebsassoziierte Orai1-Mutanten zu einem verstärkten Ca2+ Einstrom in die Zellen führen können. Dieser Ca2+ Überschuss führt zur Aktivierung mehrerer Transkriptionsfaktoren, die unter anderem Gene aktivieren können, die für die Zellproliferation verantwortlich sind. Die unkontrollierte Zellproliferation ist ein Markenzeichen von Krebszellen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus der Tschechischen Republik führten wir molekulardynamische Simulationen durch und fanden heraus, dass bei geöffneten Orai-Mutanten die ionenleitende Pore zwei große Veränderungen erfährt: Seitenketten einer bestimmten Aminosäure werden verschoben und eine Kette von Wassermolekülen wird gebildet; beide Schritte sind notwendig, um Barrieren innerhalb der Pore zu beseitigen, um Ca2+ Einstrom zu ermöglichen. Darüber hinaus konnte in diesem Projekt gezeigt werden, dass die Transmembran 2-Region des Orai1-Proteins ein wirklich wichtiger Ort für die Kanalöffnung ist, da sich krebsassoziierte Mutationen innerhalb dieser Region ansammeln. Wir waren die Ersten, die ein neues Schalt-Modell für den Orai1-Kanal zeigten, das auf bioinformatischen und funktionellen Screens von Mutationen in menschlichen Krebsgeweben basiert. Die physiologischen und pathophysiologischen Funktionen der STIM/Orai-Kanäle in Krebszellen und die medizinische Behandlung von Krebspatienten werden in hohem Maße von dem Mechanismus der Kanalaktivierung/-permeation und der nachgeschalteten Ca2+ Signalisierung profitieren.