Molecular Physiology of Mitochondrial Calcium Transporters
线粒体钙转运蛋白的分子生理学
基本信息
- 批准号:10487518
- 负责人:
- 金额:$ 32.26万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-09-15 至 2025-07-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:Active Biological TransportAcuteAddressApoptosisArchitectureAttentionBuffersCalciumCardiacCarrier ProteinsCell DeathCell physiologyCellsClinicalClustered Regularly Interspaced Short Palindromic RepeatsCo-ImmunoprecipitationsComplexCoupledCysteineDiseaseEngineeringEpilepsyFunctional disorderFutureGenerationsGenetic DiseasesHeart DiseasesHeart failureHomeostasisHumanHuman PathologyInvestigationIon TransportIonsKineticsKnowledgeLabelLinkLiposomesMediatingMedicineMembraneMethodsMitochondriaMitochondrial MatrixMolecularMovementMyocardial IschemiaNatureNeoplasm MetastasisNerve DegenerationNeurodegenerative DisordersOxidative PhosphorylationPathway interactionsPharmaceutical PreparationsPharmacologyPhotobleachingPhysiologicalPhysiologyPlayPositioning AttributePotassium ChannelProceduresProductionPropertyProteinsRegulationReperfusion InjuryResearchRoleScanningSideSignal TransductionSpecificitySystemTestingWolf-Hirschhorn SyndromeWorkantiportantiportercalcium uniportercell growthdesignfollow-uphuman diseaseimprovedinhibitorinsightknock-downloss of function mutationmutantnovelnovel therapeutic interventionpredictive testprime editorreconstitutionsingle moleculesmall moleculestoichiometrytoolvirtual
项目摘要
Project Summary/Abstract
The mitochondrial Ca2+ transport system modulates mitochondrial Ca2+ levels to control important cellular
processes including ATP generation, cell-death pathways, and buffering of intracellular Ca2+ signals.
Malfunction of mitochondrial Ca2+ transport induces cardiac ischemia-reperfusion injury and neurodegeneration,
facilitates cancer metastasis, and provokes many other detrimental conditions in human disease. This system
includes three major players, the mitochondrial Ca2+ uniporter complex, the Na+/Ca2+ exchanger (mediated by
the NCLX protein), and the H+/Ca2+ exchanger (possibly mediated by Letm1). Although the mitochondrial Ca2+
uniporter has been studied extensively, the transport and regulatory mechanisms of the other two Ca2+
exchangers remain mostly unknown. These exchangers are important for physiology, because cardiac-specific
deletion of NCLX causes heart failure, and loss of a copy of LETM1 in humans induces epilepsy in the deadly
genetic disease Wolf-Hirschhorn syndrome. Here, we propose to study the fundamental mechanisms of these
mitochondrial Ca2+ exchangers and their contribution to mitochondrial Ca2+ homeostasis. In Aim 1, we will
determine the transmembrane topology and transport mechanisms of Letm1 using a wide range of methods,
including functional analysis of liposome-reconstituted proteins, substituted cysteine accessibility scan, single-
molecule photobleaching, and co-immunoprecipitation. Furthermore, we will employ new-generation CRISPR
prime-editor tools to test the hypothesis that Letm1 is the protein that mediates mitochondrial H+/Ca2+
exchange and that it can load Ca2+ into mitochondria under physiological conditions. In Aim 2, we developed a
novel procedure to purify human NCLX and reconstitute the protein in liposomes. This powerful tool will be
employed to establish the Na+/Ca2+ exchange stoichiometry, Michaelis-Menten kinetic parameters, and the
mechanisms underlying ion recognition. It will also allow us to determine how a small-molecule, membrane-
permeant compound CGP-37157 potently inhibits NCLX, thus providing useful information to further improve
this drug for potential clinical use. Completing the proposed work will fundamentally improve the scientific
knowledge of two mitochondrial Ca2+ transport proteins that play important roles in human pathophysiology,
and will pave the way for future endeavors to design new therapeutic strategies to treat debilitating diseases
caused by abnormal mitochondrial Ca2+ transport and homeostasis.
项目概要/摘要
线粒体 Ca2+ 转运系统调节线粒体 Ca2+ 水平以控制重要的细胞
过程包括 ATP 生成、细胞死亡途径和细胞内 Ca2+ 信号缓冲。
线粒体 Ca2+ 转运功能障碍导致心脏缺血再灌注损伤和神经退行性变,
促进癌症转移,并引发人类疾病中的许多其他有害状况。这个系统
包括三个主要参与者:线粒体 Ca2+ 单向转运蛋白复合物、Na+/Ca2+ 交换器(由
NCLX 蛋白)和 H+/Ca2+ 交换器(可能由 Letm1 介导)。虽然线粒体 Ca2+
uniporter 已被广泛研究,另外两种 Ca2+ 的运输和调节机制
交换者大多仍不为人所知。这些交换器对于生理学很重要,因为心脏特异性
NCLX 缺失会导致心力衰竭,而人类 LETM1 副本的缺失会导致致命性癫痫。
遗传病沃尔夫-赫希霍恩综合征。在这里,我们建议研究这些的基本机制
线粒体 Ca2+ 交换器及其对线粒体 Ca2+ 稳态的贡献。在目标 1 中,我们将
使用多种方法确定 Letm1 的跨膜拓扑和运输机制,
包括脂质体重组蛋白的功能分析、取代半胱氨酸可及性扫描、单-
分子光漂白和免疫共沉淀。此外,我们将采用新一代CRISPR
用于检验 Letm1 是介导线粒体 H+/Ca2+ 的蛋白质这一假设的 prime-editor 工具
交换,并且在生理条件下它可以将 Ca2+ 加载到线粒体中。在目标 2 中,我们开发了
纯化人类 NCLX 并在脂质体中重建蛋白质的新程序。这个强大的工具将
用于建立 Na+/Ca2+ 交换化学计量、Michaelis-Menten 动力学参数和
离子识别的机制。它还将使我们能够确定小分子膜如何
渗透化合物 CGP-37157 有效抑制 NCLX,从而为进一步改善提供有用的信息
该药物具有潜在的临床用途。完成拟议的工作将从根本上提高科学性
了解在人类病理生理学中发挥重要作用的两种线粒体 Ca2+ 转运蛋白,
并将为未来设计新的治疗策略来治疗衰弱性疾病铺平道路
由线粒体 Ca2+ 转运和稳态异常引起。
项目成果
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