Прямое взаимодействие STIM1-ORAI1 не может управлять депо-управляемым входом кальция (SOCE) в тромбоцитах
Введение
Тромбоциты играют важную роль в гемостазе, поскольку предотвращают потерю крови при повреждении стенки сосуда
The growing complexity of platelet aggregation
S. P. Jackson
Blood. 2007, 109, 5087-5095
Calcium signaling in platelets
D. VARGA-SZABO, A. BRAUN, B. NIESWANDT
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2009, 7, 1057-1066
Calcium signalling: IP3 rises again… and again
C. Taylor, P. Thorn
Current Biology. 2001, 11, R352-R355
Voltage-gated calcium channels, calcium signaling, and channelopathies
E. S. Piedras-Rentería, C. F. Barrett, Y.-Q. Cao, and R. W. Tsien
New Comprehensive Biochemistry. 2007, 41, 127-166
Главным механизмом SOCE является система, состоящая из двух белков: сенсора кальция на мембране ЭПР – STIM1
STIM Is a Ca2+ Sensor Essential for Ca2+-Store-Depletion-Triggered Ca2+ Influx
J. Liou, M. Kim, W. Do Heo, J. Jones, J. Myers, J. Ferrell, T. Meyer
Current Biology. 2005, 15, 1235-1241
The STIM1/Orai signaling machinery
M. Fahrner, I. Derler, I. Jardin, C. Romanin
Channels. 2013, 7, 330-343
Roles of Platelet STIM1 and Orai1 in Glycoprotein VI- and Thrombin-dependent Procoagulant Activity and Thrombus Formation
K. Gilio, R. van Kruchten, A. Braun, A. Berna-Erro, M. Feijge, D. Stegner, P. van der Meijden, M. Kuijpers, D. Varga-Szabo, J. Heemskerk, B. Nieswandt
Journal of Biological Chemistry. 2010, 285, 23629-23638
Существуют несколько возможных механизмов депо-управляемого входа кальция в тромбоцитах. Важная роль белков STIM1 и ORAI1 в SOCE хорошо известна
Regulation of Platelet Function by Orai, STIM and TRP
A. Berna-Erro, I. Jardín, T. Smani, and J. A. Rosado
Calcium Entry Pathways in Non-excitable Cells. 2016, 898, 157-181
Multifaceted roles of STIM proteins
R. Hooper, E. Samakai, J. Kedra, J. Soboloff
Pflügers Archiv - European Journal of Physiology. 2013, 465, 1383-1396
The STIM1/Orai signaling machinery
M. Fahrner, I. Derler, I. Jardin, C. Romanin
Channels. 2013, 7, 330-343
More Than Just Simple Interaction between STIM and Orai Proteins: CRAC Channel Function Enabled by a Network of Interactions with Regulatory Proteins
S. Berlansky, C. Humer, M. Sallinger, I. Frischauf
International Journal of Molecular Sciences. None, 22, 471
Essential Role for the CRAC Activation Domain in Store-dependent Oligomerization of STIM1
E. Covington, M. Wu, R. Lewis
Molecular Biology of the Cell. 2010, 21, 1897-1907
STIM1 Clusters and Activates CRAC Channels via Direct Binding of a Cytosolic Domain to Orai1
C. Park, P. Hoover, F. Mullins, P. Bachhawat, E. Covington, S. Raunser, T. Walz, K. Garcia, R. Dolmetsch, R. Lewis
Cell. 2009, 136, 876-890
Single-molecule analysis of diffusion and trapping of STIM1 and Orai1 at endoplasmic reticulum–plasma membrane junctions
M. Wu, E. Covington, R. Lewis
Molecular Biology of the Cell. 2014, 25, 3672-3685
How strict is the correlation between STIM1 and Orai1 expression, puncta formation, and ICRAC activation?
T. Gwozdz, J. Dutko-Gwozdz, V. Zarayskiy, K. Peter, V. Bolotina
American Journal of Physiology-Cell Physiology. 2008, 295, C1133-C1140
Numbers count: How STIM and Orai stoichiometry affect store-operated calcium entry
M. Yen, R. Lewis
Cell Calcium. 2019, 79, 35-43
Помимо прямого взаимодействия STIM1-ORAI1 существует альтернативный механизм SOCE. Этот механизм подразумевает наличие промежуточного мессенджера - фактора входа кальция (CIF)
Orai, STIM1 and iPLA2β: a view from a different perspective
V. Bolotina
The Journal of Physiology. 2008, 586, 3035-3042
Novel Role for STIM1 as a Trigger for Calcium Influx Factor Production
P. Csutora, K. Peter, H. Kilic, K. Park, V. Zarayskiy, T. Gwozdz, V. Bolotina
Journal of Biological Chemistry. 2008, 283, 14524-14531
Существуют несколько математических моделей депо-управляемого входа кальция
Systems biology insights into the meaning of the platelet's dual-receptor thrombin signaling
A. Sveshnikova, A. Balatskiy, A. Demianova, T. Shepelyuk, S. Shakhidzhanov, M. Balatskaya, A. Pichugin, F. Ataullakhanov, M. Panteleev
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2016, 14, 2045-2057
Systems Modeling of Ca2+ Homeostasis and Mobilization in Platelets Mediated by IP3 and Store-Operated Ca2+ Entry
A. Dolan, S. Diamond
Biophysical Journal. 2014, 106, 2049-2060
Reaction-diffusion model for STIM-ORAI interaction: The role of ROS and mutations
B. Schmidt, D. Alansary, I. Bogeski, B. Niemeyer, H. Rieger
Journal of Theoretical Biology. 2019, 470, 64-75
Models of Solute Aggregation Using Cellular Automata
L. Kier, C. Cheng, J. Nelson
Chemistry & Biodiversity. 2009, 6, 396-401
В данной статье мы представляем решеточную модель депо-управляемого входа кальция в тромбоцитах. Мы показываем, что небольшая поверхностная концентрация STIM1 не может обеспечить достаточную стехиометрию для правильного открытия пор и притока Ca2+ в клетку.
Метод моделирования
Модель SOCE определяется двумя дискретными пространственными решетками \( \mathcal{L} \): мембрана ЭПР и ПМ, дискретным пространством состоянии \( \varepsilon \) и динамикой, основанной на локальных правилах.
Регулярная решетка \( \mathcal{L} \subset {\rm I\!R^2} \) состоит из \( N \) nodes \( r_{i} \in \mathcal{L}, i=1, \ldots, N \). Каждый узел имеет \( b=8 \) ближайших соседей. Каждый узел решетки \( \ r \in \mathcal{L} \) соединен со своим ближайшим соседом единичным векторам \( c_{i}, i=1, \ldots, b \). Предполагается, что это окрестность Мура. Кроме того, белок может находиться в состоянии покоя, что обозначается как \( c_0 \). Поскольку мы рассматриваем две противоположно лежащие решетки, которые обозначают две мембраны (ЭПР и ПМ), вводится дополнительный единичный вектор \( c_9 \), чтобы отразить заполнение в той же противолежащей ячейке на второй решетке. Параметр \( K=b+1 \) определяет возможные варианты перемещения узла.
Пространство состояний определяется числами занятости \( s_{j} \in\{0,1\}, j=0, \ldots, K \). Эти числа занятости отражают присутствие \( s_{j}=1 \) или отсутствие \( s_{j}=0 \) белка в канале \( c_j \) внутри некоторого узла. Тогда конфигурация узла задается вектором состояния $$s=\left(s_{1}, \ldots, s_{K}\right) \in \varepsilon=\{0,1\}^{K}$$
Сам по себе узел также имеет свойства. В нашей модели STIM1 (ORAI1) может находиться в двух состояниях - свободном, связанном. К тому же STIM1 может входить в состав кластера. Это обозначается параметром \( a \in\{0,1,2\} \), где \( a=0 \) обозначает свободный белок, \( a=1 \) – связанный, \(a=2 \) – в кластере (для STIM1). Если белок находится в связанном состоянии, он больше не может диффундировать вдоль мембраны (Рис. 1).

Новая конфигурация решетки создается в соответствии с локальным правилом, которое определяет новое состояние каждого узла с точки зрения текущих состояний узла и узлов в его окрестности. Чтобы определить новую конфигурацию решетки, локальное правило применяется последовательно в каждом узле \( r \) решетки.
Алгоритм моделирования взаимодействия STIM1-ORAI1 представлен на следующей блок-схеме (Рис.2):

Следует обратить внимание, что мы предполагаем, что близкого расположения белков недостаточно для кластеризации, и они должны «перекрываться», чтобы сформировать кластер. Следовательно, мы рассматриваем кластеризацию как процесс, который происходит, когда один белок имеет тенденцию диффундировать «в» другой белок, а не кластеризоваться из-за близкой локализации.
Начальное состояние каждой мембраны определяется путем случайного размещения узлов на двумерной решетке. Количество узлов для каждой решетки равно количеству белков (STIM1 или ORAI1).
Параметры модели оценивались вручную для соответствия экспериментальным данным. В частности, вероятность образования комплекса STIM1-ORAI1 оценивалась согласно известным характерным временам и максимальному количеству комплексов STIM1-ORAI1, а кластеризация STIM1 согласно известной стехиометрии STIM1: ORAI1 в пределах одного контакта STIM1-ORAI1.
Результаты
Оценка коэффициента диффузии
Наш подход к моделированию похож на моделирование броуновского движения с помощью случайного блуждания. Однако важной отличительной особенностью является то, что каждый шаг является фиксированным и равным 1 ячейке, тогда как в случайном блуждании этот параметр варьируется. Данное изменение связано с тем, что при моделировании броуновского движения частицы в воде длина свободного пробега частицы намного больше размера самой частицы из-за жидкого агрегатного состояния среды
Applied Biophysics: A Molecular Approach for Physical Scientists
T. A. Waigh
Applied Biophysics. 2007, None, None
Single-molecule analysis of diffusion and trapping of STIM1 and Orai1 at endoplasmic reticulum–plasma membrane junctions
M. Wu, E. Covington, R. Lewis
Molecular Biology of the Cell. 2014, 25, 3672-3685

Прямое взаимодействие STIM1-ORAI1 в клетках HEK
Чтобы исследовать механизм SOCE в тромбоцитах, мы сначала применили нашу модель на клетках HEK. Такой подход был выбран по двум причинам: 1) клетки HEK имеют хорошо известные геометрические параметры и количество белков как для всей клетки, так и для контактов ЭПР-ПМ, 2) прямое взаимодействие STIM1-ORAI1 в основном исследуется на этом типе клеток, и поэтому существует множество экспериментальных данных, по которым можно оценить работу модели. Параметры для клеток НЕК были взяты из
Reaction-diffusion model for STIM-ORAI interaction: The role of ROS and mutations
B. Schmidt, D. Alansary, I. Bogeski, B. Niemeyer, H. Rieger
Journal of Theoretical Biology. 2019, 470, 64-75

Типичное состояние системы для мембраны ЭПР при \( t=0 \mathrm{~ms}, 10 \mathrm{~ms} \text { and } 100 \mathrm{~ms} \) показано на Рис.4A. Параметры модели были подобраны так, чтобы соответствовать быстрому формированию контактов STIM1-ORAI1 (
Reaction-diffusion model for STIM-ORAI interaction: The role of ROS and mutations
B. Schmidt, D. Alansary, I. Bogeski, B. Niemeyer, H. Rieger
Journal of Theoretical Biology. 2019, 470, 64-75
Dynamic Coupling of the Putative Coiled-coil Domain of ORAI1 with STIM1 Mediates ORAI1 Channel Activation
M. Muik, I. Frischauf, I. Derler, M. Fahrner, J. Bergsmann, P. Eder, R. Schindl, C. Hesch, B. Polzinger, R. Fritsch, H. Kahr, J. Madl, H. Gruber, K. Groschner, C. Romanin
Journal of Biological Chemistry. 2008, 283, 8014-8022

Моделирование SOCE в тромбоцитах
После оценки параметров взаимодействия STIM1-ORAI1 мы применили нашу модель к тромбоцитам. Мы использовали те же вероятности для кластеризации и связывания, но изменили исходное количество белков на каждой мембране. Оказалось, что низкая концентрация STIM1 не может обеспечить нужную стехиометрию. Типичные состояния системы представлены на Рис. 5А. Также оказалось, что характерное время образования контакта STIM1-ORAI1 увеличено (Fig. 5B).

Дискуссия
В данной работе мы разработали решеточную модель взаимодействия STIM1-ORAI1. Модель смогла верно описать динамику системы в клетках HEK, и быть в соответствии с экспериментальными данным. Наши результаты также показали, что в клетках HEK происходит образование перекрестных связей пор ORAI1 с помощью STIM1, что, согласно
Cross-linking of Orai1 channels by STIM proteins
Y. Zhou, R. Nwokonko, X. Cai, N. Loktionova, R. Abdulqadir, P. Xin, B. Niemeyer, Y. Wang, M. Trebak, D. Gill
Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018, 115, E3398-E3407
С другой стороны, в тромбоцитах не только не происходит образование перекрестных связей, но и не достигается необходимая стехиометрия. Это связано с небольшой поверхностной концентрацией STIM1, даже в предположении, что все белки STIM1 находятся на мембране ЭПР, хотя они представлены как на ПМ, так и на ЭПР.
Есть несколько способов интерпретации полученных данных. Во-первых, можно предположить, что прямое взаимодействие не играет значительной роли в тромбоцитах. Поскольку известно, что STIM1 и ORAI1 влияют на функцию тромбоцитов, мы рассмотрим другой механизм SOCE. Известно, что опосредованный путь через iPLA2 присутствует в тромбоцитах и может быть ответственным за SOCE вместо механизма прямого взаимодействия. Однако Harper et. al.
Is calcium-independent phospholipase A2required for store-operated calcium entry in human platelets?
M. HARPER, S. SAGE
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2008, 6, 1819-1821
Другой возможный механизм SOCE все еще учитывает прямое взаимодействие STIM1 и ORAI1, но с добавлением каналов TRPC
STIM1, Orai1 and hTRPC1 are important for thrombin- and ADP-induced aggregation in human platelets
C. Galán, H. Zbidi, A. Bartegi, G. Salido, J. Rosado
Archives of Biochemistry and Biophysics. 2009, 490, 137-144
TRPC Channels in the SOCE Scenario
J. Lopez, I. Jardin, J. Sanchez-Collado, G. Salido, T. Smani, J. Rosado
Cells. 2020, 9, 126
Вклад авторов
Финансирование
Конфликт интересов
Библиографические ссылки статьи:
The growing complexity of platelet aggregation
S. P. Jackson
Blood. 2007, 109, 5087-5095
Calcium signaling in platelets
D. VARGA-SZABO, A. BRAUN, B. NIESWANDT
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2009, 7, 1057-1066
Calcium signalling: IP3 rises again… and again
C. Taylor, P. Thorn
Current Biology. 2001, 11, R352-R355
Voltage-gated calcium channels, calcium signaling, and channelopathies
E. S. Piedras-Rentería, C. F. Barrett, Y.-Q. Cao, and R. W. Tsien
New Comprehensive Biochemistry. 2007, 41, 127-166
STIM Is a Ca2+ Sensor Essential for Ca2+-Store-Depletion-Triggered Ca2+ Influx
J. Liou, M. Kim, W. Do Heo, J. Jones, J. Myers, J. Ferrell, T. Meyer
Current Biology. 2005, 15, 1235-1241
The STIM1/Orai signaling machinery
M. Fahrner, I. Derler, I. Jardin, C. Romanin
Channels. 2013, 7, 330-343
Roles of Platelet STIM1 and Orai1 in Glycoprotein VI- and Thrombin-dependent Procoagulant Activity and Thrombus Formation
K. Gilio, R. van Kruchten, A. Braun, A. Berna-Erro, M. Feijge, D. Stegner, P. van der Meijden, M. Kuijpers, D. Varga-Szabo, J. Heemskerk, B. Nieswandt
Journal of Biological Chemistry. 2010, 285, 23629-23638
Regulation of Platelet Function by Orai, STIM and TRP
A. Berna-Erro, I. Jardín, T. Smani, and J. A. Rosado
Calcium Entry Pathways in Non-excitable Cells. 2016, 898, 157-181
Multifaceted roles of STIM proteins
R. Hooper, E. Samakai, J. Kedra, J. Soboloff
Pflügers Archiv - European Journal of Physiology. 2013, 465, 1383-1396
More Than Just Simple Interaction between STIM and Orai Proteins: CRAC Channel Function Enabled by a Network of Interactions with Regulatory Proteins
S. Berlansky, C. Humer, M. Sallinger, I. Frischauf
International Journal of Molecular Sciences. , 22, 471
Essential Role for the CRAC Activation Domain in Store-dependent Oligomerization of STIM1
E. Covington, M. Wu, R. Lewis
Molecular Biology of the Cell. 2010, 21, 1897-1907
STIM1 Clusters and Activates CRAC Channels via Direct Binding of a Cytosolic Domain to Orai1
C. Park, P. Hoover, F. Mullins, P. Bachhawat, E. Covington, S. Raunser, T. Walz, K. Garcia, R. Dolmetsch, R. Lewis
Cell. 2009, 136, 876-890
Single-molecule analysis of diffusion and trapping of STIM1 and Orai1 at endoplasmic reticulum–plasma membrane junctions
M. Wu, E. Covington, R. Lewis
Molecular Biology of the Cell. 2014, 25, 3672-3685
How strict is the correlation between STIM1 and Orai1 expression, puncta formation, and ICRAC activation?
T. Gwozdz, J. Dutko-Gwozdz, V. Zarayskiy, K. Peter, V. Bolotina
American Journal of Physiology-Cell Physiology. 2008, 295, C1133-C1140
Numbers count: How STIM and Orai stoichiometry affect store-operated calcium entry
M. Yen, R. Lewis
Cell Calcium. 2019, 79, 35-43
Orai, STIM1 and iPLA2β: a view from a different perspective
V. Bolotina
The Journal of Physiology. 2008, 586, 3035-3042
Novel Role for STIM1 as a Trigger for Calcium Influx Factor Production
P. Csutora, K. Peter, H. Kilic, K. Park, V. Zarayskiy, T. Gwozdz, V. Bolotina
Journal of Biological Chemistry. 2008, 283, 14524-14531
Systems biology insights into the meaning of the platelet's dual-receptor thrombin signaling
A. Sveshnikova, A. Balatskiy, A. Demianova, T. Shepelyuk, S. Shakhidzhanov, M. Balatskaya, A. Pichugin, F. Ataullakhanov, M. Panteleev
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2016, 14, 2045-2057
Systems Modeling of Ca2+ Homeostasis and Mobilization in Platelets Mediated by IP3 and Store-Operated Ca2+ Entry
A. Dolan, S. Diamond
Biophysical Journal. 2014, 106, 2049-2060
Reaction-diffusion model for STIM-ORAI interaction: The role of ROS and mutations
B. Schmidt, D. Alansary, I. Bogeski, B. Niemeyer, H. Rieger
Journal of Theoretical Biology. 2019, 470, 64-75
Models of Solute Aggregation Using Cellular Automata
L. Kier, C. Cheng, J. Nelson
Chemistry & Biodiversity. 2009, 6, 396-401
Applied Biophysics: A Molecular Approach for Physical Scientists
T. A. Waigh
Applied Biophysics. 2007, ,
Dynamic Coupling of the Putative Coiled-coil Domain of ORAI1 with STIM1 Mediates ORAI1 Channel Activation
M. Muik, I. Frischauf, I. Derler, M. Fahrner, J. Bergsmann, P. Eder, R. Schindl, C. Hesch, B. Polzinger, R. Fritsch, H. Kahr, J. Madl, H. Gruber, K. Groschner, C. Romanin
Journal of Biological Chemistry. 2008, 283, 8014-8022
Cross-linking of Orai1 channels by STIM proteins
Y. Zhou, R. Nwokonko, X. Cai, N. Loktionova, R. Abdulqadir, P. Xin, B. Niemeyer, Y. Wang, M. Trebak, D. Gill
Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018, 115, E3398-E3407
Is calcium-independent phospholipase A2required for store-operated calcium entry in human platelets?
M. HARPER, S. SAGE
Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2008, 6, 1819-1821
STIM1, Orai1 and hTRPC1 are important for thrombin- and ADP-induced aggregation in human platelets
C. Galán, H. Zbidi, A. Bartegi, G. Salido, J. Rosado
Archives of Biochemistry and Biophysics. 2009, 490, 137-144
TRPC Channels in the SOCE Scenario
J. Lopez, I. Jardin, J. Sanchez-Collado, G. Salido, T. Smani, J. Rosado
Cells. 2020, 9, 126