БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 9, с. 1570–1580

УДК 577.112

Реконструкция кальциевого канала Orai3 в липосомах для изучения функции этого белка

© 2023 Ch. Liang 1, F. Wu 1,2*wufuyun@hbmu.edu.cn

1 Hubei University of Medicine, School of Basic Medical Sciences, 442000 Shiyan, China

2 Nankai University, College of Life Sciences, Department of Genetics and Cell Biology, 300071 Tianjin, China

Поступила в редакцию 29.03.2023
После доработки 14.07.2023
Принята к публикации 02.08.2023

DOI: 10.31857/S0320972523090099

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: депо-управляемый вход ионов Ca2+, Orai3, STIM1, реконструкция, липосомы.

Аннотация

Депо-управляемый вход кальция (store-operated calcium entry, SOCE) является основным механизмом притока Ca2+ в невозбудимые клетки. Основными компонентами SOCE являются молекула стромального взаимодействия 1 (stromal interaction molecule 1, STIM1), локализованная в эндоплазматическом ретикулуме, и активируемый в результате высвобождения ионов кальция Ca2+‑канал (Ca2+ release-activated Ca2+ channel, CRAC) Orai, локализованный на плазматической мембране. Механизм SOCE требует взаимодействия между белками STIM1 и Orai. В клетках млекопитающих были выявлены три гомолога Orai: Orai1, Orai2 и Orai3. Хотя белок Orai1 был широко изучен, и было показано, что он необходим для множества клеточных процессов, Orai3 также недавно привлёк к себе значительное внимание. Механизмы запуска и активации канала Orai3 ещё полностью не выяснены. В настоящей работе нами был экспрессирован, очищен и реконструирован в липосомах белок Orai3. В полученных протеолипосомах была изучена ориентация и олигомерное состояние этого белка. Показано, что белок STIM1 взаимодействует с Orai3-содержащими протеолипосомами и опосредует высвобождение из них ионов кальция. Это указывает на функционально активное состояние канала Orai3 и то, что рекомбинантный белок STIM1 может напрямую открывать канал Orai3 в условиях in vitro. Разработанная нами система высвобождения ионов кальция in vitro может быть использована для изучения структуры, функции и фармакологических свойств канала Orai3.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (проект № 81702639) и Программой инновационных исследований для выпускников Медицинского университета провинции Хубэй (грант № JC2022010).

Вклад авторов

F. Wu разработал план работы и руководил исследованием. Ch. Liang и F. Wu подготовили и провели эксперименты, а также собрали и проанализировали данные; F. Wu написал текст статьи. Оба автора прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Данная статья не содержит описания проведённых кем-либо из авторов исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Дополнительные материалы

Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте издательства Springer (www.springer.com/journal/10541), том 88, вып. 9, 2023.

Список литературы

1. Putney, J. W., Jr. (1986) A model for receptor-regulated calcium entry, Cell Calcium, 7, 1-12, doi: 10.1016/0143-4160(86)90026-6.

2. Putney, J. W., Jr., Broad, L. M., Braun, F. J., Lievremont, J. P., and Bird, G. S. (2001) Mechanisms of capacitative calcium entry, J. Cell Sci., 114, 2223-2229, doi: 10.1242/jcs.114.12.2223.

3. Luik, R. M., Wu, M. M., Buchanan, J., and Lewis, R. S. (2006) The elementary unit of store-operated Ca2+ entry: local activation of CRAC channels by STIM1 at ER-plasma membrane junctions, J. Cell Biol., 174, 815-825, doi: 10.1083/jcb.200604015.

4. Baba, Y., Hayashi, K., Fujii, Y., Mizushima, A., Watarai, H., Wakamori, M., Numaga, T., Mori, Y., Iino, M., Hikida, M., and Kurosaki, T. (2006) Coupling of STIM1 to store-operated Ca2+ entry through its constitutive and inducible movement in the endoplasmic reticulum, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 16704-16709, doi: 10.1073/pnas.0608358103.

5. Hogan, P. G., and Rao, A. (2015) Store-operated calcium entry: MECHANISMS and modulation, Biochem. Biophys. Res. Commun., 460, 40-49, doi: 10.1016/j.bbrc.2015.02.110.

6. Lunz, V., Romanin, C., and Frischauf, I. (2019) STIM1 activation of Orai1, Cell Calcium, 77, 29-38, doi: 10.1016/j.ceca.2018.11.009.

7. Lacruz, R. S., and Feske, S. (2015) Diseases caused by mutations in ORAI1 and STIM1, Ann. NY Acad. Sci., 1356, 45-79, doi: 10.1111/nyas.12938.

8. Feske, S., Gwack, Y., Prakriya, M., Srikanth, S., Puppel, S. H., Tanasa, B., Hogan, P. G., Lewis, R. S., Daly, M., and Rao, A. (2006) A mutation in Orai1 causes immune deficiency by abrogating CRAC channel function, Nature, 441, 179-185, doi: 10.1038/nature04702.

9. Lian, J., Cuk, M., Kahlfuss, S., Kozhaya, L., Vaeth, M., Rieux-Laucat, F., Picard, C., Benson, M. J., Jakovcevic, A., Bilic, K., Martinac, I., Stathopulos, P., Kacskovics, I., Vraetz, T., Speckmann, C., Ehl, S., Issekutz, T., Unutmaz, D., and Feske, S. (2018) ORAI1 mutations abolishing store-operated Ca2+ entry cause anhidrotic ectodermal dysplasia with immunodeficiency, J. Allergy Clin. Immunol., 142, 1297-1310.e1211, doi: 10.1016/j.jaci.2017.10.031.

10. Hoth, M., and Niemeyer, B. A. (2013) The neglected CRAC proteins: Orai2, Orai3, and STIM2, Curr. Top. Membr., 71, 237-271, doi: 10.1016/b978-0-12-407870-3.00010-x.

11. Zhang, X., Xin, P., Yoast, R. E., Emrich, S. M., Johnson, M. T., Pathak, T., Benson, J. C., Azimi, I., Gill, D. L., Monteith, G. R., and Trebak, M. (2020) Distinct pharmacological profiles of ORAI1, ORAI2, and ORAI3 channels, Cell Calcium, 91, 102281, doi: 10.1016/j.ceca.2020.102281.

12. Shuba, Y. M. (2019) Ca2+ channel-forming ORAI proteins: cancer foes or cancer allies? Exp. Oncol., 41, 200-206, doi: 10.32471/exp-oncology.2312-8852.vol-41-no-3.13473.

13. Hou, X., Outhwaite, I. R., Pedi, L., and Long, S. B. (2020) Cryo-EM structure of the calcium release-activated calcium channel Orai in an open conformation, eLife, 9, e62772, doi: 10.7554/eLife.62772.

14. Stathopulos, P. B., Schindl, R., Fahrner, M., Zheng, L., Gasmi-Seabrook, G. M., Muik, M., Romanin, C., and Ikura, M. (2013) STIM1/Orai1 coiled-coil interplay in the regulation of store-operated calcium entry, Nat. Commun., 4, 2963, doi: 10.1038/ncomms3963.

15. Yeung, P. S., Yamashita, M., and Prakriya, M. (2020) Molecular basis of allosteric Orai1 channel activation by STIM1, J. Physiol., 598, 1707-1723, doi: 10.1113/jp276550.

16. Yen, M., Lokteva, L. A., and Lewis, R. S. (2016) Functional analysis of Orai1 concatemers supports a hexameric stoichiometry for the CRAC channel, Biophys. J., 111, 1897-1907, doi: 10.1016/j.bpj.2016.09.020.

17. Lewis, R. S. (2011) Store-operated calcium channels: new perspectives on mechanism and function, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 3, a003970, doi: 10.1101/cshperspect.a003970.

18. Riva, B., Pessolano, E., Quaglia, E., Cordero-Sanchez, C., Bhela, I. P., Topf, A., Serafini, M., Cox, D., Harris, E., Garibaldi, M., Barresi, R., Pirali, T., and Genazzani, A. A. (2022) STIM1 and ORAI1 mutations leading to tubular aggregate myopathies are sensitive to the Store-operated Ca2+-entry modulators CIC-37 and CIC-39, Cell Calcium, 105, 102605, doi: 10.1016/j.ceca.2022.102605.

19. Berna-Erro, A., Jardín, I., Smani, T., and Rosado, J. A. (2016) Regulation of platelet function by Orai, STIM and TRP, Adv. Exp. Med. Biol., 898, 157-181, doi: 10.1007/978-3-319-26974-0_8.

20. Prakriya, M., Feske, S., Gwack, Y., Srikanth, S., Rao, A., and Hogan, P. G. (2006) Orai1 is an essential pore subunit of the CRAC channel, Nature, 443, 230-233, doi: 10.1038/nature05122.

21. Niu, L., Wu, F., Li, K., Li, J., Zhang, S. L., Hu, J., and Wang, Q. (2020) STIM1 interacts with termini of Orai channels in a sequential manner, J. Cell Sci., 133, jcs239491, doi: 10.1242/jcs.239491.

22. Bergsmann, J., Derler, I., Muik, M., Frischauf, I., Fahrner, M., Pollheimer, P., Schwarzinger, C., Gruber, H. J., Groschner, K., and Romanin, C. (2011) Molecular determinants within N terminus of Orai3 protein that control channel activation and gating, J. Biol. Chem., 286, 31565-31575, doi: 10.1074/jbc.M111.227546.

23. Shuttleworth, T. J. (2012) Orai3 – the “exceptional” Orai? J. Physiol., 590, 241-257, doi: 10.1113/jphysiol.2011.220574.

24. Thompson, J., Mignen, O., and Shuttleworth, T. J. (2010) The N-terminal domain of Orai3 determines selectivity for activation of the store-independent ARC channel by arachidonic acid, Channels, 4, 398-410, doi: 10.4161/chan.4.5.13226.

25. Zhang, S. L., Kozak, J. A., Jiang, W., Yeromin, A. V., Chen, J., Yu, Y., Penna, A., Shen, W., Chi, V., and Cahalan, M. D. (2008) Store-dependent and -independent modes regulating Ca2+ release-activated Ca2+ channel activity of human Orai1 and Orai3, J. Biol. Chem., 283, 17662-17671, doi: 10.1074/jbc.M801536200.

26. Zhang, X., González-Cobos, J. C., Schindl, R., Muik, M., Ruhle, B., Motiani, R. K., Bisaillon, J. M., Zhang, W., Fahrner, M., Barroso, M., Matrougui, K., Romanin, C., and Trebak, M. (2013) Mechanisms of STIM1 activation of store-independent leukotriene C4-regulated Ca2+ channels, Mol. Cell. Biol., 33, 3715-3723, doi: 10.1128/mcb.00554-13.

27. Motiani, R. K., Abdullaev, I. F., and Trebak, M. (2010) A novel native store-operated calcium channel encoded by Orai3: selective requirement of Orai3 versus Orai1 in estrogen receptor-positive versus estrogen receptor-negative breast cancer cells, J. Biol. Chem., 285, 19173-19183, doi: 10.1074/jbc.M110.102582.

28. Ay, A. S., Benzerdjeb, N., Sevestre, H., Ahidouch, A., and Ouadid-Ahidouch, H. (2013) Orai3 constitutes a native store-operated calcium entry that regulates non small cell lung adenocarcinoma cell proliferation, PLoS One, 8, e72889, doi: 10.1371/journal.pone.0072889.

29. Holzmann, C., Kilch, T., Kappel, S., Armbrüster, A., Jung, V., Stöckle, M., Bogeski, I., Schwarz, E. C., and Peinelt, C. (2013) ICRAC controls the rapid androgen response in human primary prostate epithelial cells and is altered in prostate cancer, Oncotarget, 4, 2096-2107, doi: 10.18632/oncotarget.1483.

30. González-Cobos, J. C., Zhang, X., Zhang, W., Ruhle, B., Motiani, R. K., Schindl, R., Muik, M., Spinelli, A. M., Bisaillon, J. M., Shinde, A. V., Fahrner, M., Singer, H. A., Matrougui, K., Barroso, M., Romanin, C., and Trebak, M. (2013) Store-independent Orai1/3 channels activated by intracrine leukotriene C4: role in neointimal hyperplasia, Circ. Res., 112, 1013-1025, doi: 10.1161/circresaha.111.300220.

31. Motiani, R. K., Stolwijk, J. A., Newton, R. L., Zhang, X., and Trebak, M. (2013) Emerging roles of Orai3 in pathophysiology, Channels, 7, 392-401, doi: 10.4161/chan.24960.

32. Rigaud, J. L. (2002) Membrane proteins: functional and structural studies using reconstituted proteoliposomes and 2-D crystals, Brazil. J. Med. Biol. Res., 35, 753-766, doi: 10.1590/s0100-879×2002000700001.

33. Rigaud, J. L., and Lévy, D. (2003) Reconstitution of membrane proteins into liposomes, Methods Enzymol., 372, 65-86, doi: 10.1016/s0076-6879(03)72004-7.

34. Hou, X., Pedi, L., Diver, M. M., and Long, S. B. (2012) Crystal structure of the calcium release-activated calcium channel Orai, Science, 338, 1308-1313, doi: 10.1126/science.1228757.

35. Lee, H. B., Xu, L., and Meissner, G. (1994) Reconstitution of the skeletal muscle ryanodine receptor-Ca2+ release channel protein complex into proteoliposomes, J. Biol. Chem., 269, 13305-13312, doi: 10.1016/S0021-9258(17)36833-3.

36. Lu, P., Liu, R., and Sharom, F. J. (2001) Drug transport by reconstituted P-glycoprotein in proteoliposomes. Effect of substrates and modulators, and dependence on bilayer phase state, Eur. J. Biochem., 268, 1687-1697, doi: 10.1046/j.1432-1033.2001.02041.x.

37. Klein, U., and Fahrenholz, F. (1994) Reconstitution of the myometrial oxytocin receptor into proteoliposomes. Dependence of oxytocin binding on cholesterol, Eur. J. Biochem., 220, 559-567, doi: 10.1111/j.1432-1033.1994.tb18656.x.

38. Zhou, Y., Meraner, P., Kwon, H. T., Machnes, D., Oh-hora, M., Zimmer, J., Huang, Y., Stura, A., Rao, A., and Hogan, P. G. (2010) STIM1 gates the store-operated calcium channel ORAI1 in vitro, Nat. Struct. Mol. Biol., 17, 112-116, doi: 10.1038/nsmb.1724.

39. Liu, S., Hasegawa, H., Takemasa, E., Suzuki, Y., Oka, K., Kiyoi, T., Takeda, H., Ogasawara, T., Sawasaki, T., Yasukawa, M., and Maeyama, K. (2017) Efficiency and safety of CRAC inhibitors in human rheumatoid arthritis xenograft models, J. Immunol., 199, 1584-1595, doi: 10.4049/jimmunol.1700192.

40. Shuttleworth, T. J. (2012) Orai channels – new insights, new ideas, J. Physiol., 590, 4155-4156, doi: 10.1113/jphysiol.2012.237552.

41. Lis, A., Peinelt, C., Beck, A., Parvez, S., Monteilh-Zoller, M., Fleig, A., and Penner, R. (2007) CRACM1, CRACM2, and CRACM3 are store-operated Ca2+ channels with distinct functional properties, Curr. Biol., 17, 794-800, doi: 10.1016/j.cub.2007.03.065.

42. Azimi, I., Milevskiy, M. J. G., Chalmers, S. B., Yapa, K., Robitaille, M., Henry, C., Baillie, G. J., Thompson, E. W., Roberts-Thomson, S. J., and Monteith, G. R. (2019) ORAI1 and ORAI3 in breast cancer molecular subtypes and the identification of ORAI3 as a hypoxia sensitive gene and a regulator of hypoxia responses, Cancers, 11, 208, doi: 10.3390/cancers11020208.

43. Stauderman, K. A. (2018) CRAC channels as targets for drug discovery and development, Cell Calcium, 74, 147-159, doi: 10.1016/j.ceca.2018.07.005.