Regulation of cellular calcium by cardiac sodium-calcium exchange
通过心脏钠钙交换调节细胞钙
基本信息
- 批准号:9906764
- 负责人:
- 金额:$ 65.01万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2019
- 资助国家:美国
- 起止时间:2019-04-15 至 2023-02-28
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AblationAcidosisAcuteAddressAdrenergic beta-AgonistsAdultAffectAffinityArrhythmiaCRISPR/Cas technologyCa(2+)-Transporting ATPaseCalciumCardiacCardiac MyocytesCardiac pacemakerCell DeathCell membraneCellsChronicCouplingDataDependenceDevelopmentDigoxinDiseaseEFRACElectrophysiology (science)ExcisionFunctional disorderGene ExpressionGenerationsGoalsGrantHeartHeart AtriumHeart BlockHeart DiseasesHeart failureHomeostasisHospitalizationImaging TechniquesKnock-in MouseKnock-outKnockout MiceLaboratoriesMusMuscle CellsMyocardial InfarctionMyocardial dysfunctionMyocardiumNodalOpticsPacemakersPatch-Clamp TechniquesPhysiologicalPhysiologyPreventionProteinsProteomicsPumpRegulationRestRoleSick Sinus SyndromeSinoatrial NodeSodiumSodium-Calcium ExchangerSpeedStructureSystoleTamoxifenTemperatureTestingTherapeuticTimeTissuesVentricularWorkatrioventricular nodecell growth regulationcell injuryconfocal imagingexperimental studyextracellularheart cellheart functionimplantationimprovedinnovationinsightmouse modelnext generationnovelprogramsrelease of sequestered calcium ion into cytoplasmsensortissue preparationtranscriptome sequencingvoltage
项目摘要
The purpose of this MPI proposal between the Goldhaber and Ottolia laboratories is to improve our
mechanistic understanding of how sodium-calcium exchange (NCX), the dominant calcium (Ca) efflux
mechanism in cardiac cells, functions to regulate cellular Ca, which in turn controls contractility and pacemaker
activity. Our labs have been studying the exchanger for more than two decades, despite a number of
challenges: 1) there is no proven specific blocker of NCX that can be administered extracellularly; 2) NCX
current is sometimes difficult to interpret because the transporter is influenced not only by voltage, but also by
temperature, pH and the intracellular and extracellular concentrations of Na and Ca; 3) intracellular Ca is not
only transported by the exchanger, but also serves a regulatory function that can influence transport activity. In
addition to our longstanding expertise isolating and studying NCX, for this proposal we have generated new
highly innovative NCX mouse models: a tamoxifen-inducible cardiac knockout of NCX, which allows us to
investigate how Ca regulation adapts over time to the acute removal of NCX in the adult mouse; a unique pH-
insensitive NCX knockin mouse to investigate the physiological impact of NCX pH regulation; and the first
ventricular-specific plasma membrane Ca pump 1 (PMCA1) KO mouse to determine the relative contribution of
NCX and PMCA to Ca homeostasis and EC coupling. Our three specific aims are to study: 1. Atrial-Specific
NCX KO–Effects on Nodal Rhythm and Atrial EC Coupling; 2. Acute and Chronic Adaptations of
Ventricular EC Coupling and Ca regulation to Genetically Altered Levels of NCX; 3. NCX pH
dependence – implications for EC coupling and arrhythmia. These aims will test the hypotheses that NCX
is an essential component of atrioventricular node (AVN) conduction and impulse generation, that acute
ablation of NCX in adult mice activates a Ca regulatory and EC coupling adaptation program that is distinct
from chronic adaptation, that PMCA1 is a critical alternative to NCX as a Ca efflux mechanism, and that pH
sensitivity of NCX is critical for maintaining Ca regulation under conditions of low pH. Our approach is to use
our existing and new innovative mouse models, along with state-of-the-art single cell and tissue
electrophysiology combined with high speed subcellular Ca imaging techniques, high-quality proteomics and
next generation RNA sequencing, to determine how NCX contributes to cardiac function through regulation of
Ca. When completed, these studies will improve our mechanistic understanding of the role of NCX and related
Ca handling proteins in cellular Ca regulation, EC coupling, and cardiac pacemaker (SAN and AVN) function.
Such information is critical to develop effective and safe approaches to improving contractility and cellular
pacemaker function in cardiac diseases such as heart failure with reduced ejection fraction, and high degree
heart block from AVN disease.
Goldhaber 和 Ottolia 实验室之间的 MPI 提案的目的是改进我们的
对钠钙交换 (NCX)、主要钙 (Ca) 流出的机制的理解
心肌细胞中的机制,具有调节细胞 Ca 的功能,进而控制收缩力和起搏器
我们的实验室对交换器的研究已有二十多年,尽管存在许多问题。
挑战:1) 没有经过证实的可在细胞外给药的 NCX 特异性阻断剂;2) NCX
电流有时很难解释,因为转运蛋白不仅受到电压的影响,还受到
温度、pH 值以及细胞内和细胞外的 Na 和 Ca 浓度 3) 细胞内 Ca 不受影响;
不仅通过交换器进行运输,而且还具有可以影响运输活动的调节功能。
除了我们长期分离和研究 NCX 的专业知识之外,我们还为该提案生成了新的
高度创新的 NCX 小鼠模型:他莫昔芬诱导的 NCX 心脏敲除,这使我们能够
研究成年小鼠中 Ca2+ 调节如何随着时间的推移适应 NCX 的急性去除;
不敏感的 NCX 敲入小鼠研究了 NCX pH 调节的生理影响;
心室特异性质膜钙泵 1 (PMCA1) KO 小鼠以确定
NCX 和 PMCA 与 Ca 稳态和 EC 耦合我们的三个具体目标是研究: 1. 心房特异性。
NCX KO – 对结节律和心房 EC 耦合的影响;2. 急性和慢性适应
心室 EC 耦合和 Ca 调节对 NCX 基因改变水平的影响;3. NCX pH 值;
依赖性——对 EC 耦合和心律失常的影响 这些目标将检验 NCX 的假设。
是房室结 (AVN) 传导和冲动产生的重要组成部分,急性
成年小鼠 NCX 的消融激活了独特的 Ca 调节和 EC 耦合适应程序
从慢性适应来看,PMCA1 是 NCX 作为 Ca 流出机制的关键替代品,并且 pH
NCX 的敏感性对于在低 pH 条件下维持 Ca 调节至关重要。
我们现有的和新的创新小鼠模型,以及最先进的单细胞和组织
电生理学与高速亚细胞 Ca 成像技术、高质量蛋白质组学和
下一代 RNA 测序,以确定 NCX 如何通过调节
Ca. 完成后,这些研究将提高我们对 NCX 及相关作用的机制理解。
细胞 Ca 调节、EC 耦合和心脏起搏器(SAN 和 AVN)功能中的 Ca 处理蛋白。
这些信息对于开发有效和安全的方法来改善收缩性和细胞至关重要
心脏起搏器在心脏疾病中的作用,例如射血分数降低的心力衰竭和高度严重的心力衰竭
AVN 疾病引起的心脏传导阻滞。
项目成果
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