Dokument: How Stromal Interaction Molecule 1 (STIM1) and Store Operated Calcium Entry (SOCE) affect mitochondrial energy metabolism and neuronal function

Titel:	How Stromal Interaction Molecule 1 (STIM1) and Store Operated Calcium Entry (SOCE) affect mitochondrial energy metabolism and neuronal function
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=23702
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20130206-145349-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Henke, Nadine [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.02.2013 / geändert 05.02.2013
Beitragende:	Prof. Dr. Methner, Axel [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Ca2+ Ionen sind an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt und sind unverzichtbar für die zelluläre Signalübertragung. Nach Aktivierung vieler plasmamembrangebundener Rezeptoren wird Ca2+ aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) freigesetzt, was die zytosoläre Ca2+-Konzentration erhöht. Es ist wichtig, den dadurch verringerte Ca2+-Gehalt des ERs wieder aufzufüllen, um die nächsten Ca2+-Signale zu ermöglichen und die physiologische Funktion des ERs zu bewahren. Dieser Auffüllungsprozess wird als speichergesteuerter Ca2+-Einstrom (store-operated Ca2+ entry, SOCE) bezeichnet und durch ein im ER lokalisiertes, Ca2+-bindendes Protein namens STIM1 (stromal interaction molecule 1) und einen Ca2+- Kanal namens ORAI1 ermöglicht. SOCE ist bisher in nicht-erregbaren Zellen des Immunsystems am besten untersucht, obwohl STIM1 Expression auch in erregbaren Zellen des Nervensystems beobachtet wurde. In dieser Arbeit untersuchten wir das Expressionsmuster von STIM1 und dem nahe verwandten STIM2 in verschiedenen Geweben der Maus und des Menschen, sowie in verschiedenen Zelltypen des Hirns. Da STIM1 und 2 in Neuronen nachweisbar waren, untersuchten wir die Rolle von SOCE in neuronaler Netzwerkaktivität und in pathologischer Über-Erregbarkeit, wie sie in Epilepsie zu beobachten ist. Wir konnten eine klare Beteiligung von SOCE an neuronaler Erregbarkeit beobachten und entschlossen uns, im weiteren Verlauf dieser Arbeit, die Wirkung von SOCE auf das Zellüberleben während oxidativem Stress zu untersuchen, da dieser häufig beteiligt ist an neurologischen Erkrankungen wie z.B. Epilepsie, Alzheimer oder Parkinson und Schlaganfällen. Als Model für reduzierte SOCE Aktivität untersuchten wir zunächst die Resistenz von STIM1 wildtyp (WT) und knockout (KO) Fibroblasten gegenüber oxidativem Stress. KO-Zellen zeigten eine erhöhte Sensitivität gegenüber endogenem oxidativen Stress, was durch die Expression von STIM1-YFP gemindert werden konnte. Diese erhöhte Sensitivität ließ sich dadurch erklären, dass die Anpassung von mitochondrialem Metabolismus und Morphologie an den Energiebedarf der Zelle in STIM1 KO Fibroblasten gestört ist, was zu einem erhöhten Maß an basalem oxidativen Stress durch Abwesenheit von STIM1 führt. In der dritten, hier präsentierten Arbeit wechselten wir zu der murinen hippokampalen HT22 Zelllinie. Hier beobachteten wir durch reduzierte SOCE Aktivität einen von den Ergebnissen aus Fibroblasten abweichenden Effekt. HT22 sind für die Regulation der Resistenz gegenüber oxidativem Stress nicht auf STIM1 angewiesen. Stattdessen war ein protektiver Effekt durch verringerte ORAI1 Expression zu beobachten. Wir konnten ORAI1 als den entscheidenden Ca2+-Kanal identifizieren, der für den verhängnisvollen Ca2+-Einstrom im Zelltodprogramm, induziert durch oxidativen Stress, verantwortlich ist. Zusammenfassend schließen wir, dass STIM1 und physiologische SOCE Aktivität für neuronale Erregbarkeit essentiell sind und die mitochondriale Morphologie sowie die zelluläre Energieproduktion in Fibroblasten aber nicht in HT22 beeinflussen. Stattdessen ist ORAI1 in HT22 der wichtigste Ca2+-Kanal im Verlauf des durch oxidativen Stress induzierten Zelltodprogrammes. Ca2+ ions are critically involved in a broad range of cellular functions and are indispensably linked to cellular signaling events. Once a plasma-membrane bound receptor is activated to elicit a Ca2+ signal, Ca2+ is quickly released from the endoplasmic reticulum (ER) to trigger a cytosolic Ca2+ increase. The thereby lowered ER-Ca2+ content has to be refilled to permit the next Ca2+ signal and to preserve the physiologic activity of the ER. This refilling process, termed store-operated Ca2+ entry (SOCE), is facilitated through the ER resident Ca2+ binding protein STIM1 (stromal interaction molecule 1) and the Ca2+ channel ORAI1. So far, SOCE was mainly investigated in non-excitable cells of the immune system although expression of STIM1 was also reported for excitable cells like neurons. In the course of this thesis, we investigated the expression pattern of STIM1 and the closely related STIM2 in murine and human tissues and different cell types of the brain. Since we clearly detected STIM1 and 2 in neurons, we set out to investigate the role of SOCE on neuronal network activity and on pathological hyperexcitability as observed during epilepsy. We observed a clear participation of SOCE to neuronal excitability in these experiments and next decided to investigate the role of SOCE in cellular resistance against oxidative stress which plays a role in neurological diseases like epilepsy, Parkinson’s or Alzheimer’s disease as well as ischemia-reperfusion injuries observed after stroke. First we studied resistance against oxidative stress in STIM1 wild type (WT) and knock out (KO) fibroblasts as a model for reduced SOCE capacity. STIM1 KO cells exhibited increased sensitivity towards endogenous oxidative stress which was diminished by expression of STIM1-YFP. We explained the enhanced sensitivity of STIM1 KO fibroblasts to oxidative stress by impaired adaption of mitochondrial metabolism and morphology to energy needs resulting in a pronounced basal oxidative stress level due to the absence of STIM1. In the third study presented here, we switched to a more neuronal model, the murine hippocampal HT22 cell line. Unexpectedly, we observed a different effect of reduced SOCE activity in these cells compared to the results obtained in fibroblasts. HT22 cells do not rely on STIM1 for the regulation of oxidative stress resistance. Instead we observed a protective effect of reduced ORAI1 expression and disclosed ORAI1 to be the Ca2+ channel facilitating detrimental Ca2+ influx in the final phase of the cell death induced by oxidative stress. We conclude that STIM1 and physiologic SOCE function are essential for neuronal excitability and impact on mitochondrial morphology and cellular energy production in fibroblasts but not in hippocampal HT22 cells. Instead we discovered ORAI1 to be the main Ca2+ entry channel in the course of the oxidative-stress induced cell death program in HT22 cells.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	06.02.2013
Dateien geändert am:	06.02.2013
Promotionsantrag am:	24.10.2012
Datum der Promotion:	11.12.2012