A mechanism of lysosomal Calcium entry

溶酶体钙进入机制

基本信息

  • 批准号:
    10020204
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.41万
  • 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:
    2019-09-30 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Lysosomes are highly acidic organelles that integrate important cellular processes in all cell types. There is a preponderance of risk genes for neurological disorders associated with lysosome dysfunction. In the lysosome, lumenal Ca2+ is critical to function, and defects in every known lysosomal Ca2+ release channel leads to a distinct neurological disorder. Yet, dysregulated lysosomal Ca2+ can also arise due to defective import. While much more known of mechanisms that release lysosomal Ca2+, there is a paucity of information on the pathophysiology of Ca2+ import. Notably, the only known lysosomal Ca2+ importer in animals, the P-type ATPase ATP13A2, was recently discovered by my laboratory using newly developed reporter technology for lysosomal Ca2+ imaging. This importer was previously identified as a major risk gene for Parkinson's disease. Thus, a structural level understanding of how by ATP13A2 imports Ca2+ into the lysosome is highly significant. The premise of this proposal is that ATP13A2 function is mechanistically similar to that of SERCA but with lower affinity and/or efficiency of Ca2+ transport. This premise is based on unpublished data from my laboratory using homology modeling, which predicts very high similarity between ATP13A2 and SERCA. SERCA (Sarco/Endoplasmic Reticulum Ca2+ ATPase) is one of the best studied P2-type ATPases. In contrast, ATP13A2 is a P5-type ATPase, an ATPase sub-class yet to be mechanistically characterized. The steps outlined in this proposal will identify and study the molecular mechanism of how ATP13A2 drives lysosomal Ca2+ import by mapping lysosomal Ca2+ dynamics in real-time in live mammalian cells. We plan to create and characterize a photostable lysosomal Ca2+ reporter and develop an assay to map the kinetics of lysosomal Ca2+ import in situ in live cells. Preliminary data shows that we have identified the relevant molecular components to make this photostable organellar Ca2+ reporter. Further, an initial bioinformatics analysis and homology modeling has revealed a remarkable similarly between ATP13A2 and SERCA. This will allow us to pinpoint residues important to Ca2+ import by a P5-type ATPase. By expressing various ATP13A2 mutants and using real-time Ca2+ mapping, we shall be able to identify residues critical to the function of ATP13A2. Successful completion of this research will identify how a major risk gene for Parkinson's disease imports lysosomal Ca2+ and elucidate the first structure-activity relationship in P5-type ATPases. Also, by providing the first practical technology to quantitatively map lysosomal Ca2+ fluxes in live cells (in real-time), we will be in a position to study new lysosomal Ca2+ importers and existing lysosome Ca2+ release channels connected to various neurodegenerative diseases.
溶酶体是高度酸性的细胞器,整合所有细胞类型中的重要细胞过程。 存在大量与溶酶体功能障碍相关的神经系统疾病的危险基因。 在溶酶体中,腔内 Ca2+ 对于功能至关重要,并且每种已知的溶酶体 Ca2+ 释放都存在缺陷 通道会导致明显的神经系统疾病。然而,溶酶体 Ca2+ 失调也可能是由于 进口有缺陷。虽然释放溶酶体 Ca2+ 的机制更为人所知,但仍缺乏 关于 Ca2+ 输入的病理生理学信息。值得注意的是,唯一已知的溶酶体 Ca2+ 输入者 动物,P 型 ATP 酶 ATP13A2,是我的实验室最近使用新开发的方法发现的 溶酶体 Ca2+ 成像报告技术。该进口商此前被认定为重大风险 帕金森病的基因。因此,从结构层面了解 ATP13A2 如何将 Ca2+ 导入 溶酶体非常重要。 该提议的前提是 ATP13A2 功能在机制上与 SERCA 相似,但 Ca2+ 运输的亲和力和/或效率较低。这个前提是基于我未发表的数据 实验室使用同源模型,预测 ATP13A2 和 SERCA 之间具有非常高的相似性。 SERCA(肌肉/内质网 Ca2+ ATP 酶)是研究最充分的 P2 型 ATP 酶之一。在 相比之下,ATP13A2 是一种 P5 型 ATP 酶,是一种尚未进行机械表征的 ATP 酶亚类。 本提案中概述的步骤将确定和研究 ATP13A2 如何进行的分子机制 通过在活哺乳动物细胞中实时绘制溶酶体 Ca2+ 动态来驱动溶酶体 Ca2+ 输入。 我们计划创建并表征光稳定的溶酶体 Ca2+ 报告基因,并开发一种分析方法来绘制图谱 活细胞中溶酶体 Ca2+ 原位输入的动力学。初步数据显示,我们已经确定 制作这种光稳定性细胞器 Ca2+ 报告基因的相关分子成分。此外,初始 生物信息学分析和同源建模揭示了 ATP13A2 之间的显着相似性 和SERCA。这将使我们能够查明对 P5 型 ATP 酶输入 Ca2+ 重要的残基。经过 表达各种 ATP13A2 突变体并使用实时 Ca2+ 绘图,我们将能够识别 对 ATP13A2 功能至关重要的残基。 这项研究的成功完成将确定帕金森病的主要风险基因如何 输入溶酶体 Ca2+ 并阐明 P5 型 ATP 酶中的第一个结构-活性关系。另外,通过 提供第一个定量绘制活细胞中溶酶体 Ca2+ 通量的实用技术(实时), 我们将能够研究新的溶酶体 Ca2+ 输入器和现有的溶酶体 Ca2+ 释放通道 与各种神经退行性疾病有关。

项目成果

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