Calcium Signaling in Cell Compartments - the Importance of Sphingosine Kinase 1 and ORP5/8

Abstract

För att upprätthålla liv använder cellerna i en organism intrikata signaleringsräckor för regleringen av fysiologiska processer inom enskilda celler och mellan olika celler och vävnaderna som utgör en organism. Reglering av detta slag kallas cellsignalering. En av de mest centrala molekylerna i cellsignaleringen är kalciumjonen, Ca2+. Många centrala biologiska processer, såsom muskelkontraktion, befruktning, cellproliferation, cellmigration, cellulär energiproduktion och celldöd, moduleras av Ca2+-signalering. Dysfunktionell Ca2+-signalering kan bidra till utvecklingen av olika sjukdomstillstånd såsom cancer och neurologiska sjukdomar. I de publikationer som utgör basen för denna avhandling studerade vi hur tre proteiner av intresse påverkar regleringen av Ca2+-hantering i specifika cellulära domäner, främst mitokondrier och caveoler. Mitokondrier är organeller som är centrala för cellulär energiproduktion och bidrar även till andra viktiga processer som Ca2+-signalering och celldöd. Caveoler är små inbuktningar av cellmembranet och deltar i regleringen av viktiga cellulära funktioner. Caveoler fungerar till exempel som orkestratorer av cellsignalering. För att studera Ca2+-signalering i cellmembranets domän nära caveoler skapade och karakteriserade vi en ny Ca2+-indikator kopplad till det caveolära proteinet caveolin-1. I dessa undersökningar fann vi att överuttryck av ett lipidkinasprotein, sfingosinkinas 1 (SK1), resulterar i ökad agonist-inducerad frigivning av Ca2+ från det endoplasmatiska retiklet (cellens huvudsakliga Ca2+-förråd), samtidigt som det ökar Ca2+-koncentrationen i mitokondriernas matrix och vid caveolerna. De SK1-inducerade Ca2+-effekterna kan också vara bidragande faktorer i regleringen av cellandning och migration, som båda vi fann vara förstärkta av SK1-överuttryck. Dessa fynd bekräftar de tidigare indikationerna på att SK1 är involverad i processer relaterade till cancerfysiologi, möjligen genom Ca2+- medierade processer. Därtill fann vi att överuttryck av de oxysterolbindande proteinerna 5 respektive 8 (ORP5/8) ökar Ca2+-koncentrationen i mitokondriernas matrix och i de caveolära regionerna i cellmembranet. Vi fann också att överuttryck av både ORP5 och ORP8 ökade cellproliferation. ORP5/8 är lokaliserade vid, och reglerar, membrankontakterna, och signaleringen mellan det endoplasmatiska retiklet, mitokondrierna och cellmembranet. Våra resultat som visar ORP5/8-medierade effekter i Ca2+-signalering i mitokondriernas matrix och vid de caveolära cellmembrandomänerna belyser således den fysiologiska rollen som ORP5/8-proteinerna spelar som reglerare av signaleringen vid membrankontakterna i dessa intracellulära domäner. Sammantaget visar dessa resultat att SK1- och ORP5/8-proteiner är involverade i regleringen av intracellulära Ca2+-signaler vid specifika cellulära domäner.

To maintain life, the cells within an organism employ intricate signaling pathways to regulate physiological processes within single cells and between the various cells and tissues that constitute an organism. Regulation of this kind is termed cell signaling. One of the key molecules in cell signaling is the calcium ion, Ca2+. Many central biological processes, such as muscle contraction, fertilization, cell proliferation, cell migration, cellular energy production and cell death, are modulated by Ca2+ signaling. Dysfunctional Ca2+ signaling may contribute to the development of various disease conditions such as cancer and neurological disease. In the original publications of this thesis, we studied how three proteins of interest affect the regulation of Ca2+ handling in specific cellular compartments, mainly the mitochondria and the caveolae. The mitochondria are organelles that are key in cellular energy production and contribute also to other important processes such as Ca2+ signaling and cell death. The caveolae are small invaginations of the cell membrane with important functions, for instance as orchestrators of cell signaling events. To study the Ca2+ signaling events at the caveolar domain of the cell membrane, we created and characterized a novel Ca2+ indicator linked to the key caveolar protein, caveolin-1. We found that overexpression of a lipid kinase protein, sphingosine kinase 1 (SK1), results in increased agonist-induced release of Ca2+ from the endoplasmic reticulum, while also increasing the Ca2+ concentration in the mitochondrial matrix and at the caveolae. The SK1-induced Ca2+ effects may also be contributing factors in the regulation of cell respiration and migration, both of which we found to be augmented by SK1 overexpression. These findings corroborate the previous indications of SK1 being involved in processes related to cancer physiology, possibly through Ca2+ mediated processes. In addition, we found that overexpression of the oxysterol-binding proteins 5 and 8 (ORP5/8), respectively, increases the Ca2+ concentration in the mitochondrial matrix and at the caveolar regions of the cell membrane. We found that overexpression of ORP5 and ORP8 also increased cell proliferation. ORP5/8 are known to reside at and regulate the membrane contacts and signaling between the endoplasmic reticulum (the main Ca2+ store of the cell) and the mitochondria and the cell membrane. Our results showing ORP5/8-mediated Ca2+ signaling in the mitochondrial matrix and at caveolar cell membrane domains thus further elucidate the physiological role of the ORP5/8 proteins as regulators of signaling events at the membrane contact sites of these intracellular compartments. Taken together, our results show that SK1 and ORP5/8 proteins are involved in the regulation intracellular Ca2+ signaling at specific cellular compartments.