Membrane lipid regulation of calcium channels in sperm.

精子钙通道的膜脂调节。

• 批准号: 10352433
• 负责人: ALEXANDER J TRAVIS
• 金额: $ 39.03万
• 依托单位: CORNELL UNIVERSITY
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-03-15 至 2024-02-29
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10352433
• 关键词: Acrosome; Address; Apical; Artificial Membranes; Biochemistry; Biological Pharmacology; Biology; Blood Glucose; Calcium; Calcium Channel; CatSper; Cell Line; Cell membrane; Cell physiology; Cells; Cellular biology; Chimeric Proteins; Cholesterol; Data; Defect; Development; Diabetes Mellitus; Disease; Electrophysiology (science); Excision; Exocytosis; Female; Fertility; Fertilization; Ganglioside GM1; Genetic; Genetic Models; Health; Human; Image; Infertility; Insulin; Knockout Mice; Knowledge; Laboratories; Lead; Lipids; Male Infertility; Mediating; Medicine; Membrane; Membrane Fluidity; Membrane Fusion; Membrane Lipids; Membrane Potentials; Methods; Microscopy; Modeling; Molecular; Mouse Strains; Mus; Nature; Neurons; Pain; Pain management; Pancreas; Pathologic; Peripheral Nervous System Diseases; Pharmacology; Physiological; Physiology; Positioning Attribute; Process; Publications; Publishing; RNA Splicing; Regulation; Regulation of Exocytosis; Resolution; Role; Seminal fluid; Series; Sialic Acids; Sterols; Structure of beta Cell of islet; System; Tail; Temperature; Testing; Variant; Xenopus oocyte; base; diabetes management; experimental study; extracellular; improved; innovation; insight; male fertility; mouse genetics; mouse model; new technology; novel; novel strategies; novel therapeutics; pain sensation; peripheral pain; reproductive tract; response; sensor; spatiotemporal; sperm cell; sperm function; tool; unilamellar vesicle; voltage; zygote

PROJECT SUMMARY  Voltage-­gated calcium channels (VGCC) regulate the function of cells ranging from sperm to insulin-­producing  pancreatic cells to neurons. There is growing recognition that specific lipids, sterols and the ganglioside GM1,  regulate VGCC activity in health and disease including during fertilization, regulation of blood sugar, and pain  sensation. However, determining mechanisms by which lipids regulate VGCC remains a major challenge in the  field. This proposal addresses two questions of broad importance to biology & medicine: At a molecular level,  how can membrane lipids regulate 1) VGCC activity and 2) cell function? Sperm are an outstanding model for  these issues, because their ability to fertilize an egg is well-­known to be regulated by lipid dynamics. However,  there is tremendous controversy regarding sperm calcium (Ca2+) channels, with electrophysiological recordings  (at room temperature) only identifying the activity of a single, non-­VGCC channel (CatSper). In contrast, data  from several groups using approaches of cell biology, genetics and pharmacology, show the activity of different  channels including VGCC. Of importance, we found that sterols and GM1 regulate sperm VGCC activity in ways  that typical electrophysiology practices can’t detect. This proposal represents a consortium of two laboratories,  one with expertise in sperm electrophysiology, who have pioneered new methods to be able to detect channels  regulated by lipids. The second laboratory was first to identify membrane lipid regulation of sperm VGCC, and  has expertise in membrane lipid organization and function. Together, we propose to use new technologies and  approaches to address this controversy, which is central to our understanding of sperm function & fertilization.  This knowledge will empower clinicians to better understand the causes of male infertility, half of which are due  to sperm function defects and are not detected by traditional semen analysis.  Based on exciting preliminary  data that clearly show evidence of more than one type of Ca2+ channel (using sperm from mice null for  CatSper), as well as publications from both laboratories, we propose a series of experiments to investigate  how lipids regulate mouse and human sperm VGCC and possibly other Ca2+ channels (Aim 1). These studies  will utilize state-­of-­the-­art microscopy, pharmacology, mouse genetic models and electrophysiology under  conditions that allow sperm membrane lipids to behave as they do in the female reproductive tract. We next  propose to determine the precise molecular mechanisms by which sterols and GM1 regulate VGCC (Aim 2). To  do this, we’ll express different VGCC subunits in specific cell lines, as well as artificial membrane systems, in  which we can control both channel expression and the lipid composition. In both Aims, we will utilize innovative  mouse strains either expressing genetically encoded Ca2+ indicators or lacking specific channel subunits.  Together, these studies will provide broad mechanistic insight into the regulation of VGCC by membrane lipids,  a matter of critical importance in both normal physiology as well as important disease states.

项目概要 电压门控钙通道 (VGCC) 调节从精子到产生胰岛素的细胞功能。 人们越来越认识到特定的脂质、甾醇和神经节苷脂 GM1， 调节健康和疾病中的 VGCC 活性，包括在受精、血糖调节和疼痛期间 然而，确定脂质调节 VGCC 的机制仍然是该领域的一个重大挑战。 该提案解决了对生物学和医学具有广泛重要性的两个问题：在分子水平上， 膜脂如何调节 1) VGCC 活性和 2) 细胞功能？ 这些问题是因为众所周知，它们的卵子受精能力受到脂质动力学的调节。 关于精子钙 (Ca2+) 通道和电生理记录存在巨大争议。 （在室温下）仅识别单个非 VGCC 通道 (CatSper) 的活动。 来自几个小组使用细胞生物学、遗传学和药理学的方法，显示了不同的活性 重要的是，我们发现甾醇和 GM1 以某种方式调节精子 VGCC 活性。 典型的电生理学实践无法检测到该提案代表了两个实验室的联合体， 一位在精子电生理学方面具有专业知识的人，他开创了能够检测通道的新方法 第二个实验室首先确定了精子 VGCC 的膜脂质调节，并且 拥有膜脂质组织和功能方面的专业知识。我们共同建议使用新技术和 解决这一争议的方法对于我们理解精子功能和受精至关重要。 这些知识将使临床医生能够更好地了解男性不育的原因，其中一半是由于 基于令人兴奋的初步结果，传统精液分析无法检测到精子功能缺陷。 数据清楚地显示了不止一种类型的 Ca2+ 通道的证据（使用来自无效小鼠的精子） CatSper）以及两个实验室的出版物，我们提出了一系列实验来研究 脂质如何调节小鼠和人类精子 VGCC 以及可能的其他 Ca2+ 通道（目标 1）。 将利用最先进的显微镜、药理学、小鼠遗传模型和电生理学。 使精子膜脂质像在女性生殖道中一样运作的条件 建议确定甾醇和 GM1 调节 VGCC 的精确分子机制（目标 2）。 为此，我们将在特定细胞系以及人工膜系统中表达不同的 VGCC 亚基 我们可以控制通道表达和脂质组成。在这两个目标中，我们将利用创新技术 小鼠品系要么表达基因编码的 Ca2+ 指示剂，要么具有特定的通道亚基。 总之，这些研究将为膜脂对 VGCC 的调节提供广泛的机械见解， 对于正常生理和重要疾病状态都至关重要。