小胞体Ca²⁺センサーSTIM1の単一アミノ酸欠損が、Stormorken症候群の原因となるR304W変異のin vitroおよびin vivoの作用を失わせる

SCIENCE SIGNALING
7 Feb 2023 Vol 16, Issue 771
DOI: 10.1126/scisignal.add0509

Thilini H. Gamage^{1, †, ‡}, Herwig Grabmayr^{2, †}, Ferdinand Horvath^{3, †}, Marc Fahrner², Doriana Misceo¹, William Edward Louch⁴, Gjermund Gunnes⁵, Helen Pullisaar^{6, §}, Janne Elin Reseland⁶, Staale Petter Lyngstadaas⁶, Asbjørn Holmgren¹, Silja S. Amundsen¹, Petr Rathner^{7, 8}, Linda Cerofolini⁹, Enrico Ravera^{9, 10}, Heinrich Krobath³, Claudio Luchinat^{10, 11}, Thomas Renger³, Norbert Müller^{7, 12, 13}, Christoph Romanin^{2, ‖, *}, Eirik Frengen^{1, ‖, *}

1. ¹ Department of Medical Genetics, Oslo University Hospital and University of Oslo,0450 Oslo, Norway.
2. ² Institute of Biophysics, Johannes Kepler University Linz, Gruberstrasse 40, 4020 Linz, Austria.
3. ³ Institute of Theoretical Physics, Johannes Kepler University Linz, Altenbergerstrasse 69, 4040 Linz, Austria.
4. ⁴ Institute for Experimental Medical Research, Oslo University Hospital and University of Oslo, 0450 Oslo, Norway.
5. ⁵ Faculty of Veterinary Medicine, Norwegian University of Life Sciences, 1430 Ås, Norway.
6. ⁶ Department of Biomaterials, Institute of Clinical Dentistry, University of Oslo, 0455 Oslo, Norway.
7. ⁷ Institute of Organic Chemistry and Institute of Inorganic Chemistry, Johannes Kepler University Linz, Altenbergerstrasse 69, 4040 Linz, Austria.
8. ⁸ Institut für Analytische Chemie, University of Vienna, Währinger Straße 38, 1090 Wien, Austria.
9. ⁹ Magnetic Resonance Center, University of Florence and Consorzio Interuniversitario Risonanze Magnetiche di Metalloproteine, 50019 Sesto Fiorentino, Italy.
10. ¹⁰ Department of Chemistry, Ugo Schiff, University of Florence, 50019 Sesto Fiorentino, Italy.
11. ¹¹ CERM, University of Florence, 50019 Sesto Fiorentino, Italy.
12. ¹² Department of Chemistry, Faculty of Science, University of South Bohemia, Branišovská 1645/31A, 370 05 České Budějovice, Czech Republic.
13. ¹³ Institute of Biochemistry, Johannes Kepler University Linz, Altenbergerstrasse 69, 4040 Linz, Austria.

* Corresponding author. Email: eirik.frengen@medisin.uio.no (E.F.); christoph.romanin@jku.at (C.R.)

† These authors contributed equally to this work.

‡ Present address: Institute for Surgical Research, Oslo University Hospital, 0372 Oslo, Norway.

§ Present address: Department of Orthodontics, Institute of Clinical Dentistry, University of Oslo, 0455 Oslo, Norway.

‖ These authors contributed equally to this work.

Stormorken症候群におけるSTIM1の機能障害を回復させる

ERのCa²⁺センサーであるSTIM1の機能獲得型変異は、細胞膜のCa²⁺チャネルOrai1の恒常的活性化をもたらし、Stormorken症候群と呼ばれる遺伝性疾患の原因となっている。GamageとGrabmayrらは、Stormorken症候群に関連して最も多くみられる変異（R304W）の生物物理学的および病態生理学的影響が、STIM1のGlu²⁹⁶欠損によって回復することを見いだした。R304W変異とGlu²⁹⁶欠損の両方を有するSTIM1を発現しているマウスは健康であり、R304W STIM1変異を発現しているマウスでみられる骨格筋、血小板および骨の表現型は認められなかった。電気生理学的および生物物理学的解析から、R304W変異のGlu²⁹⁶欠失によりSTIM1がOrai1と会合し、刺激なしにOrai1が活性化することを妨げるタンパク質相互作用を回復させることが明らかとなった。これらの結果は、STIM1の分子内接触が、Orai1を通じてCa²⁺流入を刺激するというSTIM1の作用の抑制に重要であることを明確に示している。-WW

要約

Stormorken症候群は、小胞体（ER）のCa²⁺センサータンパク質STIM1の機能障害によって引き起こされる遺伝性の多臓器疾患である。STIM1は細胞膜チャネルであるOrai1と共に、Ca²⁺放出活性化Ca²⁺（CRAC）チャネルを形成する。ER Ca²⁺ストアが枯渇すると、STIM1タンパク質のコイルドコイル1（CC1）およびCC3ドメイン間で形成された分子内「クランプ」が解消されることで、STIM1が活性化され、C末端が伸長してOrai1と相互作用することが可能になる。Stormorken症候群の患者において最も多くみられる変異はR304Wであり、この変異はER Ca²⁺ストアの枯渇とは独立してSTIM1のC末端を不安定化して伸長させ、Orai1との恒常的結合およびCRACチャンネルの活性化を引き起こす。今回われわれは、アミノ酸1残基Glu²⁹⁶のcis欠失（われわれはこれをE296delと呼ぶ）が、R304Wの病理学的影響を回復させることを見いだした。ホモ接合性のStim1 E296del+R304Wマウスは生存可能であり、表現型では野生型マウスと区別できなかった。NMR分光法、分子動力学シミュレーションおよび細胞実験から、R304W変異はCC1とCC3の相互作用を阻害するものの、これにGlu²⁹⁶欠失が加わった場合、適切なCRACチャネル機能に重要なSTIM1内のCC1-CC3結合が可能となり、CCドメイン相互作用が回復することで、R304W変異の影響に対抗することが明らかとなった。これらの結果は、変異により誘発されるタンパク質の機能障害および病態生理の分子基盤を明らかにし、STIM1の活性化機序に対して洞察をもたらすものである。