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dc.contributor.advisor Suh, Byung Chang -
dc.contributor.author Kim, Dong Il -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:52:05Z -
dc.date.available 2016-02-12T00:00:00Z -
dc.date.issued 2016 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002229710 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1429 -
dc.description.abstract High voltage-gated Ca2+ (CaV) channels are protein complexes containing α1, β, and α2δ subunits. Although α1 subunit determines primarily gating property of CaV channels and their pharmacological response, as one of auxiliary subunits, β subunit is key regulator for CaV channel gating and receptor modulation. In particular, their subcellular localization is important for regulation of current inactivation and lipid-sensitivity of CaV channels. Most of the β subunit isoforms are cytosolic proteins, whereas two isoforms β2a and β2e subunits are localized in the plasma membrane. β2a is expressed in the plasma membrane via palmitoylation on two cystein residues of N-terminal region whereas membrane targeting mechanism of β2e remains unclear. Here we investigated how β2e is associated with the plasma membrane and what mechanism triggers reversible translcoation of β2e. Furthermore, we explored how such features have an influence on properties of CaV channels in terms of pore gating and lipid modulation. Through mutagenesis and liposome binding assays, we determined that the N-terminus, which contains seven basic residues and a hydrophobic residue, is responsible for this membrane tethering via electrostatic interaction with the plasma membrane. Particularly, we found that Lys2 (K2) and Trp5 (W5) proximal to N-terminus play a pivotal role in membrane association of β2e.
Using rapamycin-inducible dimerization system, β2e exhibited cytosolic distribution when membrane phosphatidylinositol 4-phosphate (PI(4)P) and phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) were simultaneously depleted by membrane recruitment of PJ, which is consisting of 4-phosphatase (sac) and 5-phosphatase (INPP5E). Additionally, in M1 muscarinic receptor (M1R) expressing cells, muscarinic stimulation induced translocation of β2e. In consistent with dynamic location change of β2e, in current recording, CaV channels displayed accelerated inactivation when β2e was localized in the cytosol. In experiments with Danio rerio voltage-sensitive phosphatase (Dr-VSP) for PIP2 depletion, out data show that current inhibition with K2A or W5A was 19% by PIP2 depletion. In addition, a double mutation in the N-terminus of β2e (K2A/W5A) increased the PIP2 sensitivity of CaV2.2 and CaV1.3 channels by ~2-fold. The results suggest that membrane targeting of the β2e subunit is mediated by nonspecific electrostatic insertion and dynamically regulated by receptor stimulation. Together, the phospholipid-protein interaction observed here provides structural insight into general principles for membrane-protein association and regulatory roles of phospholipids in ion channels.
Next, we investigated the involvement of second messengers, such as protein kinases and calmodulin (CaM), in translocation of β2e to the cytosol since GPCR activation triggers various signaling molecules such as calmodulin and protein kinases. Using diverse approaches, our findings indicates that rise in cytosolic Ca2+ induces translocation of the β2e, and such shuttling is directly regulated by Ca2+ rather than other second messengers such protein kinases and CaM due to Ca2+ mediated screening effect. In addition, membrane dissociation of the β2e by rise in cytosolic Ca2+ accelerated inactivation of CaV channel even in the presence of Ca2+-insensitive CaM and augmented PIP2 sensitivity to CaV channel. Thus, we suggest that Ca2+ is a determinant for dynamic translocation of the β2e and profoundly affects gating property of CaV channels via dynamics regulation of the β2e. These results reveal a role of Ca2+ on ionic protein-lipid interaction and provide a novel regulatory mechanism of CaV channels. Collectively, we show for the first time that Ca2+ ions directly regulate the CaV channel gating through the control of membrane tethering of β2e subunit and the dynamic interplay between β2e subunit and cytosolic Ca2+ constitutes a novel feedback mechanism for the regulation of CaV channels. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.tableofcontents Ⅰ. INTRODUCTION 1 --
Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 7 --
Ⅲ. RESULTS 14 --
The β2e subunit is localized on the plasma membrane and is widely expressed in brain tissues 14 --
Membrane targeting of β2e subunit is independent from lipid modification 17 --
The N-terminal 23 amino acids determine the plasma membrane localization of the β2e subunit 21 --
Basic and hydrophobic residues of the N-terminus affect subcellular distribution of the β2e subunit 25 --
Wild-type and mutants of the β2e subunit show differential effects on inhibition of CaV current by PIP2 depletion 29 --
Phospholipids determine the binding affinity of peptides to liposomes 32 --
Depletion of poly-PIs induces cytosolic translocation of β2e subunits and fast channel inactivation 36 --
Both β2e and MARCKS are tethered to the plasma membrane through electrostatic interaction 42 --
M1 receptor activation results in fast inactivation of CaV current by eliciting transient and reversible translocation of β2e subunit from membrane to cytosol 44 --
Activation of endogenous Gq type GPCRs gives rise to translocation of β2e subunit without PIP2 depletion 49 --
Rise of Ca2+ causes translocation of β2e 54 --
β2e translocation is independent of CaM and protein kinases 57 --
Divalent ions diminish FRET signaling between peptides and liposome 60 --
Ca2+ induces CDI of CaV channels with β2e regardless of CaM 63 --
Current inhibition by PIP2 depletion is predominant in the presence of Ca2+ in the medium 70 --
Ⅳ. DISCUSSION 73 --
Ⅴ. REFERENCES 81 --
Ⅵ. SUMMARY IN KOREAN 91
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dc.format.extent 93 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject β2e subunit -
dc.subject electrostatic interaction -
dc.subject phosphoinositides -
dc.subject Danio rerio voltage-sensing phosphatase -
dc.subject calmodulin -
dc.subject 전압 의존성 칼슘 채널 -
dc.subject β2e 소단위체 -
dc.subject 전압 의존성 탈인산효소 -
dc.subject 정전기적 상호작용 -
dc.title Membrane targeting mechanism of voltage-gated calcium channel β subunits -
dc.title.alternative 전압 의존성 칼슘 채널에서 β-subunit 의 세포막 결합 기작 규명 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2229710 -
dc.description.alternativeAbstract 생체 내에서 칼슘은 거의 모든 생리학인 과정에 참여하는 중요한 신호전달 물질이다. 칼슘은 우리 몸에서 합성할 수 없기 때문에 세포들은 칼슘 채널을 통해서 세포 안으로 전달이 된다. 이 때 칼슘 유입을 하는 주요 복합체가 전압 의존성 칼슘 채널이다. 이 칼슘 채널은 칼슘 유입을 정교하게 조절함으로써 신경 전달 물질과 근 수축에서 중요한 역할을 한다. 칼슘채널은 보조 단백질은 β-subunit 에 의해서 조절된다. β-subunit 은 네 개의 동형 (Isoform) 유전자를 가지고 있는데 대부분의 β-subunit 은 세포질에 존재한다. 하지만 β2a 와 β2e 는 세포막에 존재한다. β2a 는 palmitoylation 이라는 지질 변형 (lipid modification)을 통해서 세포막에 고정된다. 이런 세포막의 위치는 칼슘 채널에 독특한 변화를 야기시키는데 칼슘 채널 비활성을 감소시키며 또한 세포막에 존재하는 채널 조절 물질인 세포막 PIP2 에 의해 조절 되는 정도가 줄어들게 만든다. 하지만 β2e 의 세포막 결합 기작이 알려지지 않았다. 본 연구에서 β2e 의 세포막 결합 기작을 밝혀내고 나아가 그런 기작 어떻게 칼슘 채널 조절에 영향을 미치는지에 대해서 연구하였다. 본 연구에서 mutagenesis, liposome-peptide interaction 그리고 molecular dynamics simulation 을 통해서 β2e 의 N-말단 분분이 세포막 결합에 중요한 역할을 하며, N-말단에 존재하는 양전하와 소수성 곁사슬을 가진 아미노산이 세포막에 결합에 중요하다는 것을 밝혀냈다. 특히 두 번째 아미노산인 lysine 과 다섯 번째에 위치한 tryptophan 이 세포막 결합에 중요하다. 실제로 공초점 현미경을 통해서 관찰된 두 개 아미노산을 각각 alanine 으로 치환된 돌연변이들은 세포막이 아닌 세포질에 존재하였고 칼슘채널 전류 측정에서 표준형에 비해서 비활성 정도 빨라지는 것을 관찰하였다. 그리고 전압 의존성 탈인산화 효소를 이용한 실험에서 세포질에서 발현하는 돌연변이들은 세포막에 존재하는 표현형 혹은 돌연변이 보다 PIP2 에 대한 민감도가 증가하였다. Rapamycin-inducible dimerization 시스템을 통해서 세포막을 구성하고 있는 음전하를 뙨 인지질을 감소시켰을 때 β2e 가 세포질로 이동하는 것을 관찰하였다. 또한 칼슘 채널의 비활성 측정에서도 비활성이 가속되는 결과를 확인하였다. 이런 결과들은 β-subunit 이 세포질에 존재하면 비화설정도가 빨라지고 PIP2 에 대한 민감도가 증가하는 반면에 세포막에 위치한 β-subunit 은 반대 효과를 나타낸다는 것을 보여주는 이전 보고들과 일치한다. 결과적으로 이런 실험 결과들은 전기적인 상호작용과 소수성 결합을 통해서 β2e 가 세포막에 결합한다는 것을 보여준다. 세포막 인지질을 변화함으로써 β2e 이 역동적으로 조절이 되며 이런 현상은 칼슘채널이 열고 닫히는 조절 기작에 있어서 새로운 모델을 제시한다.
본 연구에서는 세포막 인지질의 변화가 β-subunit 세포 내의 변화에 영향을 주는 기작 외에 세포내의 칼슘의 양이 증가하면 β2e 가 세포질로 이동하는 것을 관찰하였다. 특히 세포 내에서 발현하는 Gq-type PCR 을 활성화시키면 β2e 가 세포질로 가역적으로 이동하는 것을 관찰하였다. 특히 GPCR 은 세포 내에 다양한 신호전달물질을 활성화시키는데 본 연구에서 그러한 신호전달 물질과 β2e 의 위치변화와 어떤 상관관계가 있는지 조사하였다. Mutagenesis 와 Co-IP 실험 결과는 Calmodulin 이나 PKC 는 β2e 의 세포 내 위치변화에는 영향을 주지 않는다는 것을 제시한다. 하지만 다양한 실험 기법들을 사용하여 본 연구에서 β2e 가 세포 내의 칼슘의 양이 증가할 때 세포막으로 떨어진다는 것을 발견하였다. 결과적으로 세포 내 칼슘 양의 증가는 음전하로 이루어진 세포막을 screening 하여 β2e 를 세포막으로 떨어지게 만든다 (Ca2+-mediated membrane screening effect). 이런 현상을 칼슘 채널에 적용되었을 때, Ringer 용액에 바륨 (Ba2+) 대신 칼슘을 사용한 비활성 측정 실험에서 칼슘 의존성 비활성 매개체로 알려진 calmdoulin 이 기능하지 못하는 상황에서도 비활성이 빠르게 일어나는 것을 관찰하였다. 본 연구는 이런 일련의 실험결과들을 바탕으로 β2e 가 칼슘 채널의 조절자로 작용할 때 이전에는 보고 되지 않은 새로운 형태의 칼슘 채널 조절 기작을 보여준다. 나아가 이런 현상을 신경 세포에서 적용함으로써 시냅스 가소성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구가 기대된다. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Brain and Cognitive Sciences -
dc.contributor.coadvisor Jang, Deok Jin -
dc.date.awarded 2016. 2 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-02-12 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 뇌인지과학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Dong Il -
dc.contributor.affiliatedAuthor Suh, Byung Chang -
dc.contributor.alternativeName 김동일 -
dc.contributor.alternativeName 서병창 -
dc.contributor.alternativeName 장덕진 -
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