Entschlüsselung neuer Komponenten der Ca2+-Signalübertragung in Endolysosomen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Michael Grimm
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536658766

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass Endolysosomen wichtige Funktionen für die intrazelluläre Ca2+ Signalgebung haben und die Ca2+-Freisetzung aus Endolysosomen ist sowohl in physiologischer als auch pathophysiologischer Hinsicht von erheblicher Relevanz. So werden zelluläre Prozesse wie Autophagie, Membrantransport, Exozytose, Nährstoffanpassung, Membranreparatur oder Zellmigration durch lysosomales Ca2+ gesteuert. Störungen des endolysosomalen Ca2+-Gehalts oder der lysosomalen Ca2+-Freisetzung sind kausal für oder beteiligt an neurodegenerativen und lysosomalen Speicherkrankheiten, Krebs sowie immunologischen, metabolischen, Lungen- oder Infektionskrankheiten. Trotz des zunehmenden Wissens über die endolysosomale Ca2+-Freisetzung und ihre molekularen Vermittler bleiben mehrere Schlüsselfragen unbeantwortet, von denen wir zwei in diesem Antrag untersuchen wollen: 1. Wie wird Ca2+ nach der Freisetzung wieder in Lysosomen aufgenommen? und 2. Wie kommen Lysosomen und Endosomen mit Osmolaritätsänderungen und der Schrumpfung und Ausdehnung des Vesikelvolumens zurecht und welches sind die molekularen Komponenten, die mechanische Reize in endolysosomalen Membranen in chemische Signale umsetzen? In der Plasmamembran von Säugetierzellen erfüllen PMCAs (Plasmamembran-Ca2+-ATPasen) die Funktion Ca2+ aus dem Zytosol in den extrazellulären Raum zurückzupumpen, das Pendant zu SERCAs (sarko-endoplasmatische Retikulum-Ca2+-ATPasen). Ein ähnlicher Mechanismus ist auch für Lysosomen postuliert und Hinweise z.B. aus der Pflanzenphysiologie unterstützen diese Idee. Die molekulare Identität eines potenziellen äquivalenten Proteins in lysosomalen Membranen von Säugetieren bleibt jedoch rätselhaft. Wir wollen hier einen neuen Ansatz zur Identifizierung von Kandidaten für den Ca2+-Einstrom in Lysosomen anwenden, indem wir Lysosomen akut mit Patch-Clamp-Glaspipetten isolieren und mit Massenspektrometrie-/Proteomanalysen untersuchen. Auch mechanosensitive Ionenkanäle in Endolysosomen sind noch weitgehend unidentifiziert. Bei Säugern werden mechanosensorische Prozesse wie Berührungsempfindung und Gefäßentwicklung durch die PIEZO-Familie mechanisch aktivierter Kationenkanäle vermittelt und im Innenohr ist der TMC1-Ionenkanal Teil des Mechanotransduktionskomplexes in Haarzellen. Eine Proteinfamilie, die Mechanosensitivität in der Plasmamembran vermittelt, wenn sie überexprimiert wird, die Familie der OSCA/TMEM63/OCaR/CSCL Proteine, wird, wie wir hier zeigen, überwiegend in Endolysosomen endogen exprimiert und sind daher gute Kandidaten für Mechanosensation in Endolysosomen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir durch die Kombination von Elektrophysiologie, Kalzium-Imaging, Molekularbiologie, Knockout-Modellen und einer innovativen Methode zur akuten Isolierung von Lysosomen in Kombination mit Proteom-Analysen neue, lange postulierte Komponenten der Ca2+-Signalübertragung und Mechanosensation in Endolysosomen identifizieren wollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen