Pojemnościowy napływ jonów wapnia  czy wszystkie
elementy maszynerii zostały zidentyfikowane?
STRESZCZENIE
Joanna Bandorowicz-Pikuła
ojemnościowy napływ jonów wapnia do komórki (SOCE), zidentyfikowany pierwot-
Pnie w komórkach niepobudliwych elektrycznie, okazał się powszechnym mechani-
Krzysztof Zabłocki*
zmem prowadzącym do wzrostu stężenia jonów wapnia w cytoplazmie ([Ca2+]c) w od-
powiedzi na opróżnienie wewnątrzkomórkowych magazynów wapnia. Odkrycie białek
STIM1 i STIM2 zlokalizowanych przede wszystkim w siateczce śródplazmatycznej i
Instytut Biologii Doświadczalnej im. Mar-
będących czujnikami jonów wapnia, reagującymi na stopień opróżnienia magazynów
celego Nenckiego Polskiej Akademii Nauk,
wapniowych w komórce, stało się przełomowe dla zrozumienia mechanizmu aktywacji
Warszawa
SOCE. Dzięki tym białkom informacja o stopniu opróżnienia magazynów wapniowych
jest przekazywana do błony plazmatycznej, a dokładniej do kanałów wapniowych powo-
*
Zakład Biochemii, Instytut Biologii
dując ich otwarcie, napływ jonów wapnia do komórki i uruchomienie kaskady sygnałów
Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego
zależnych od zmian stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Ze względu na sposób akty-
PAN, ul. Pasteura 3, 02-093 Warszawa; tel.:
wowania tych kanałów nazywane są kanałami regulowanymi pojemnościowo, w skrócie
(22) 589 21 46, e-mail: k.zablocki@nencki.
kanałami SOC. Drugim kluczowym i niedawno opisanym białkiem jest białko Orai1.
gov.pl
Jest to białko błony plazmatycznej, które w wyniku oddziaływania z białkiem STIM1
tworzy kanał jonowy. Mimo niewątpliwego postępu w rozumieniu procesu SOCE nadal
Artykuł otrzymano 12 listopada 2012 r. istnieją kontrowersje co do samej definicji napływu pojemnościowego, a w związku z
Artykuł zaakceptowano 23 listopada 2012 r. tym identyfikacji wszystkich białek budujących kanały SOC w błonie plazmatycznej.
Obok STIM1 i Orai1, wymienia się także m.in. białka TRPC i ARC, ale ich rola w aktywa-
cji SOCE jest nadal dyskutowana. Wynika to najprawdopodobniej z faktu, że opróżnie-
Słowa kluczowe: pojemnościowy napływ
nie wewnątrzkomórkowych magazynów wapniowych może aktywować kilka różnych
jonów wapnia (SOCE), kanały jonowe ak-
rodzajów kanałów wapniowych w błonie plazmatycznej, różniących się właściwościami,
tywowane w wyniku opróżnienia siateczki
budową i występowaniem.
śródplazmatycznej (SOC), Orai, STIM, jony
wapnia
WPROWADZENIE
Wykaz skrótów: ARC (ang. arachidonic acid-
-regulated Ca2+-selective channels)  kanały jo-
Wnikanie jonów wapnia do komórki w odpowiedzi na opróżnienie maga-
nowe aktywowane kwasem arachidonowym;
zynów wapniowych w siateczce śródplazmatycznej (ER) czyli tzw. napływ
CRAC (ang. calcium release activated (calcium)
pojemnościowy (SOCE, ang. store-operated Ca2+ entry) jest przedmiotem ba-
current)  typowy dla limfocytów kanał/
dań w wielu ośrodkach naukowych na całym świecie od ponad 25 lat. Po
prąd wapniowy aktywowany opróżnieniem
magazynów wapniowych; [Ca2+]c  stężenie raz pierwszy opisany w komórkach RBL (ang. rat basophil leukemia) [1], po-
jonów wapnia w cytoplazmie; ER  siatecz-
czątkowo był uważany jako charakterystyczny dla komórek niepobudliwych
ka śródplazmatyczna; IP3  inozytolo-1,4,5-
elektrycznie, wkrótce jednak okazało się, że taki mechanizm indukcji sygna-
-trisfosforan; Orai1 (ang. calcium release-ac-
lizacji wapniowej funkcjonuje także w komórkach elektrycznie pobudliwych
tivated calcium channel protein 1)  element
[2,3]. Jego znaczenie, w największym uogólnieniu, polega po pierwsze na
poru w kanale wapniowym błony plazma-
kontrolowanym uprzepuszczalnianiu błony plazmatycznej dla jonów wap-
tycznej, wrażliwym na stopień opróżnienia
siateczki śródplazmatycznej; PKC  kinaza
nia, co jest jednym z kluczowych elementów tzw. odpowiedzi wapniowej
białkowa C; SOC (ang. store-operated calcium
komórki i powstawania sygnału wapniowego, a po drugie, mechanizm ten
channel)  kanał wapniowy aktywowany
umożliwia uzupełnianie zapasów wapnia zgromadzonych w cysternach ER,
opróżnieniem siateczki śródplazmatycz-
w sposób ściśle regulowany i zależny od stopnia opróżnienia tych magazy-
nej; SOCE (ang. store-operated calcium entry)
nów. Jest to szczególnie ważne dla utrzymania właściwej intensywności od-
 pojemnościowy napływ jonów wapnia
(CRAC jest jego szczególnym przypadkiem);
powiedzi wapniowej po ponownej stymulacji komórki. Ponadto proces ten
STIM (ang. stromal interaction molecule) 
ma istotne znaczenie dla regulacji syntezy i modyfikacji białek. Niewłaściwy
białko wiążące jony wapnia, czujnik zmian
stopień zapełnienia magazynów ER jonami wapnia może być przyczyną tzw.
[Ca2+] z siateczki śródplazmatycznej
stresu retikularnego [4]. Mimo intensywnych poszukiwań musiało upłynąć
ćwierćwiecze zanim zrozumiano na czym polega regulacja tego procesu.
Podziękowania: Badania prowadzone przez
Obecnie podstawy biochemiczne i molekularne SOCE są w dużej mierze
autorów niniejszej pracy przeglądowej są fi-
nansowane m.in. przez Instytut Biologii Do- poznane. Ustalono, że  czujnikiem reagującymi na zmiany stężenia Ca2+ w
świadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego
magazynach ER są wcześniej poznane białka STIM, natomiast kanał błono-
w Warszawie.
wy jest tworzony przez białka Orai [5]. Dynamiczne oddziaływanie między
tymi białkami jest podstawą aktywacji napływu Ca2+ do komórki. Chociaż
obecność białek STIM1 i Orai1 wydaje się wystarczająca dla aktywacji tego
procesu, udział innych białek, w tym szczególnie z rodziny TRPC, jest tak-
że potwierdzony. Nie ulega wątpliwości, że pojemnościowy napływ jonów
wapnia zachodzi przy udziale różnych kanałów w błonie plazmatycznej, róż-
niących się właściwościami [6].
452 www.postepybiochemii.pl
wapniowej SERCA (ang. sarcoplasmic/endoplasmic reticu-
Identyfikacja pojemnościowego napływu jonów wap-
lum calcium ATPase) w błonie plazmatycznej. Jednakże
nia nie jest łatwa ze względu na niejednorodność tego
w warunkach naturalnych sposób pobudzenia komórek
zjawiska. Sam termin opisujÄ…cy ten proces jest stosowany
jest ściśle związany z ich funkcją biologiczną, a także z
niekiedy nieświadomie w szerszym znaczeniu niż tylko
rolÄ… fizjologicznÄ… aktywatora indukujÄ…cego odpowiedz

w odniesieniu do ściśle rozumianego, tzw. pojemnościo-
wapniową. Na przykład w przypadku komórek układu
wego napływu jonów wapnia, dla którego złotym stan-
odpornościowego, w których aktywacja SOCE (CRAC)
dardem są opisane po raz pierwszy w komórkach RBL
została szczególnie starannie opisana i w których mecha-
kanały wapniowe CRAC (ang. calcium release activated
nizm ten ma znaczenie kluczowe w sygnalizacji wapnio-
channels lub niekiedy calcium release activated current) o
wej (o czym będzie mowa w dalszej części pracy), pobu-
dobrze zdefiniowanych właściwościach biofizycznych
dzenie komórek zachodzi np. wskutek aktywacji recep-
(wysoka selektywność, bardzo małe przewodnictwo) [7].
torów TCR (ang. T cell receptors) przez białka kompleksu
Obecnie wiadomo, że stopień opróżnienia magazynów
MHC (ang. major histocompatibility complex) odgrywajÄ…ce
wapniowych prowadzi do aktywacji kanałów wapnio-
rolę w odpowiedzi immunologicznej w komórkach T lub
wych, określanych wspólną nazwą kanałów SOC (ang.
receptorów Fc w monocytach [14-16]. Innymi receptora-
store-operated calcium channels) o różnych właściwościach
mi, występującymi w różnych typach komórek, których
biofizycznych, co wynika zapewne z do końca niepozna-
aktywacja prowadzi do opróżnienia magazynów wap-
nych różnic w ich składzie białkowym i sposobie aktywa-
niowych sÄ… np. metabotropowe receptory nukleotydo-
cji. Co więcej, uwolnienie jonów wapnia z magazynów
we (P2y), metabotropowe receptory glutaminianowe w
ER i w efekcie przejściowy wzrost ich stężenia w komór-
ośrodkowym układzie nerwowym, niektóre receptory
ce może powodować aktywację innych niż SOC kanałów
adrenergiczne, a także receptory niektórych czynników
wapniowych w błonie plazmatycznej (np. zależnych od
wzrostowych [17]. W pewnym uproszczeniu, w poda-
kwasu arachidonowego uwalnianego przez fosfolipazÄ™
nych przykładach różnice dotyczą tego, czy w początko-
A2 aktywowanÄ… jonami wapnia) [8,9]. WynikajÄ…cy z tego
wej fazie przekazywania sygnału w komórce uczestniczą
napływ Ca2+ jest trudno odróżnialny, bez zastosowania
białka G, czy dochodzi do aktywacji białkowych kinaz
metod elektrofizjologicznych, od procesu SOCE, który
tyrozynowych (np. w obecności czynników wzrosto-
w swoim ścisłym ujęciu jest aktywowany przez zmniej-
wych). Natomiast w każdym z wymienionych przypad-
szenie się zawartości wapnia w ER, a nie wzrost stężenia
ków aktywowana jest odpowiednia izoforma fosfolipazy
Ca2+ w cytoplazmie. Ponadto pobudzaniu SOCE może to-
C, następuje wzrost stężenia IP3, stymulacja receptorów/
warzyszyć jednoczesna aktywacja kanałów wapniowych
kanałów wapniowych w błonach ER aktywowanych tym
bezpośrednio aktywowanych przez agonistów, co wpro-
wtórnym przekaz
nikiem sygnału i ostatecznie wypływ
wadza dodatkową trudność w interpretowaniu uzyska-
Ca2+ z siateczki śródplazmatycznej do cytoplazmy. Z
nego obrazu [10,11].
punktu widzenia aktywacji SOC najważniejszy jest fakt
większego lub mniejszego opróżnienia magazynów wap-
W niniejszej pracy skupiono siÄ™ przede wszystkim na
niowych w ER. A zatem, podstawową i wspólną cechą
opisie mechanizmów pojemnościowego napływu jonów
takiego pobudzania komórek jest to, że aktywacja kana-
wapnia w pierwotnym, ścisłym znaczeniu tego terminu,
łów wapniowych w błonie plazmatycznej jest wtórna w
w którym punktem odniesienia jest CRAC. Omówiono
stosunku do opróżnienia wewnątrzkomórkowych kana-
mechanizm aktywacji tego zjawiska, a także białka z ro-
łów wapniowych.
dziny STIM i Orai biorące udział w tym procesie. Jednak
ze względu na liczne doniesienia na temat udziału tak- Opróżnianie magazynów wapniowych ER może nastę-
że innych białek tworzących kompleks odpowiedzialny pować także w wyniku aktywacji receptorów rianodyno-
za napływ jonów wapnia do komórki w odpowiedzi na wych. Jest to charakterystyczne raczej dla komórek pobu-
opróżnienia wewnątrzkomórkowych magazynów wap- dliwych elektrycznie i jest skutkiem zjawiska CICR (ang.
nia (SOCIC, ang. store-operated calcium influx complex), ta- calcium-induced calcium release). Również wtedy może do-
kich jak SERCA, TRPC1 (ang. transient receptor potential) chodzić do aktywacji SOCE, ale zachodzi to bez udziału
oraz białko EB1 (ang. microtubule end tracking protein) [12], PLC i IP3. Pierwotnym zdarzeniem jest niewielki wzrost
a także białka regulatorowe, takie jak CRACR2 (ang. Ca2+ stężenia Ca2+ w cytoplazmie, co powoduje masywne
release-activated Ca2+ current regulator 2) [13], niektórym z uwalnianie wapnia z siateczki śródplazmatycznej (CICR)
nich poświęcono nieco więcej uwagi. Dysfunkcje pojem- i wtórny do tego procesu napływ pojemnościowy [18].
nościowego napływu jonów wapnia, które są przyczyną
rzadko występujących, ale mających ciężki przebieg, pa- Informacja o opróżnieniu magazynów wapniowych
tologii są przedmiotem ostatniej części pracy. jest przekazywana do błony plazmatycznej, w której ak-
tywowane są odpowiednie kanały wapniowe. Mecha-
AKTyWACJA SySTEMu
nizm tego zjawiska przez wiele lat był obiektem inten-
sywnych badań i przedmiotem w dużej mierze już nieak-
RECEPTORy W BÅ‚ONIE PLAZMATyCZNEJ
tualnych hipotez. Obecnie wiemy, że kluczowe znaczenie
Z punktu widzenia aktywacji SOCE sposób opróżnia- mają tu białka STIM, które w wyniku zmniejszenia się
nia wewnątrzkomórkowych magazynów wapniowych zawartości wapnia w siateczce śródplazmatycznej ule-
wydaje się nie mieć kluczowego znaczenia, o czym prze- gają reorganizacji, polegającej na ich przemieszczaniu się
konuje możliwość pełnej aktywacji tego mechanizmu po w płaszczyz
nie błony ER i tworzeniu skupień w pobliżu
specyficznym, farmakologicznym zahamowaniu pompy błony plazmatycznej [13]. Powstają wtedy oddzielone od
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 453
siebie wyspecjalizowane obszary ER, w anglojęzycznej ją na zmiany stężenia Ca2+ towarzyszące zmieniającej się
literaturze przedmiotu określane mianem  pre-cortical , zawartości zmagazynowanego wapnia i przekazują tę in-
 cortical i  thin-cortical ER. Rejon  pre-cortical tworzy formację do błony plazmatycznej. Białka STIM, występu-
struktury tubularne ER, które są wzbogacone w białko ją powszechnie w komórkach zwierząt i człowieka. Bada-
STIM1 i jest zlokalizowany w głębi komórki. Rejon korty- nia na pacjentach, u których stwierdzono mutacje genów
kalny ER znajduje się w pobliżu błony plazmatycznej (8 kodujących białka STIM (a także Orai, omawianych nieco
11 nm). Rejon  thin-cortical jest pozbawiony białek opie- dalej) oraz na zwierzętach (myszy, Drosophila melanoga-
kuńczych i wydaje się pełnić funkcje w przekazywaniu ster), u których doświadczalnie spowodowano brak tych
sygnału wapniowego [19,20]. Powstanie wyspecjalizowa- białek, rzuciły nowe światło na funkcje tych białek, za-
nych rejonów ER umożliwia oddziaływania białek STIM równo w normie, jak i w stanach patologicznych [25]. Ich
z białkami tworzącymi kanały jonowe. Przede wszystkim domenową budowę oraz porównanie białek STIM wy-
są to białka Orai1, które w wyniku kontaktu z białkami stępujących w organizmach człowieka, myszy i muszki
STIM tworzą kanały CRAC, chociaż nie są one jedynymi owocowej przedstawiono na rycinie 1 [26-32].
partnerami STIM1, z którymi białko to może oddziały-
STIM1
wać po opróżnieniu magazynów wapniowych. A zatem
istnieje sekwencyjna zależność: opróżnienie magazynów
STIM1 jest białkiem, które u człowieka kodowane jest
wapniowych  aktywacja STIM  aktywacja Orai1 (lub
przez gen STIM1 [30,31,33]. W 2005 roku odkryto, że
innego białka kanałowego). Związek między tymi zjawi-
STIM1 jest wrażliwe na jony wapnia i funkcjonuje jako
skami tłumaczy, dlaczego taki rodzaj regulacji nazywa
czujnik ich stężenia w ER [34,35].
się pojemnościowym [21-24].
Istnienie takiego mechanizmu jest oczywiście ściśle Chociaż białko STIM1 jest białkiem błonowym istnieje
związane z właściwościami tworzących go białek. Temu zgoda co do faktu, że nie zawiera ono fragmentów o se-
zagadnieniu jest poświęcony następny rozdział. kwencji aminokwasowej typowej dla białek o takiej loka-
lizacji (funkcję te pełnią reszty argininy i domena bogata
BIAÅ‚KA STIM  CZuJNIKI ZMIAN
w reszty lizyny) [36]. W cząsteczce tego białka wyróżnia
STężENIA Ca2+ W ER
siÄ™ kilka wyraz
nych rejonów. Na końcu aminowym zwró-
conym do wnętrza cystern siateczki śródplazmatycznej
Białko STIM (ang. stromal interaction molecules) wy- znajduje się domena zawierająca motyw EF-hand, poten-
stępuje w dwóch izoformach STIM1 i STIM2. Obie mają cjalne miejsce wiązania jonów wapnia. Przesuwając się
zdolność wiązania jonów wapnia i pełnią funkcję  czujni- stopniowo w kierunku końca karboksylowego wyróżnia
ków zmian stężenia Ca2+ w siateczce śródplazmatycznej. się domenę odpowiedzialną za oddziaływania z innymi
Znajdują się przede wszystkim w błonie ER, gdzie reagu- białkami (SAM, ang. sterile alpha motif), pojedynczą dome-
Rycina 1. (A) Domenowa budowa białka STIM1 człowieka. Począwszy od końca aminowego w cząsteczce białka hSTIM1 wyróżniono: domenę zawierającą motyw EF-
-hand (reszty 67 96, kolor zielony)  potencjalne miejsce wiązania jonów wapnia (EF), domenę odpowiedzialną za oddziaływanie z innymi białkami (SAM, ang. sterile
alpha motif, reszty 131 200, kolor różowy); w domenie SAM zaznaczono mutację, którą zidentyfikowano u pacjentów, u których białko STIM1 nie jest syntetyzowane [26]),
domenę transbłonową (TM, reszty 215 234, kolor żółty) oraz domeny o strukturze  coiled-coil (CC1/CC2, kolor szary). Rejon regulatorowy (kolor czerwony) zawiera
domenę CAD (ang. CRAC channel activation domain, reszty 342 448), domenę odpowiedzialną za oligomeryzację białka STIM1 (SHD, ang. STIM1 homomerization domain,
reszty 400 474), rejon SOAR (ang. STIM Orai-activating region, reszty 344 442), rejon Ccb9 o strukturze  coiled-coil , zawierajÄ…cy fragment b9 (reszty 339 444) oraz do-
menę aktywacji OASF (ang. Orai-activating small fragment, reszty 233 474). Zidentyfikowano również domenę CMD (ang. CRAC modulatory domain, reszty 470 491), rejon
bogaty w reszty seryny i proliny (S/P, ang. serine/proline-rich region, reszty 600 629, kolor niebieski) oraz rejon bogaty w reszty zasadowe (K, ang. polybasic cluster, reszty
672 685, kolor pomarańczowy). Rejon aminowego końca białka jest skierowany do światła ER. Domena CAD białka zawiera potencjalne miejsca fosforylacji, które mogą
uczestniczyć w regulacji funkcji białka w czasie cyklu komórkowego [27]. Rejon bogaty w reszty zasadowe (lizyny) może odpowiadać za oddziaływanie białka STIM1 z
cząsteczkami kwaśnych lipidów błony plazmatycznej (ang. near plasmamembrane puncta) [28,29]. (B) Porównanie białek wchodzących w skład rodziny STIM: białka STIM1
i STIM2 człowieka (hSTIM), STIM1 i STIM2 myszy (mSTIM) oraz muszki owocowej (D-STIM). Na rycinie kolorami zaznaczono niektóre z powtarzających się domen zde-
finiowanych na ryc. 1A. Położenie domen wyznaczono doświadczalnie lub na podstawie przewidywań (numery reszt aminokwasowych podano na rycinie). S/P  rejon
bogaty w reszty seryny i proliny (kolor niebieski); P/H  rejon bogaty w reszty proliny i histydyny (kolor granatowy); C  oznacza reszty cystein, które są zachowane w
ewolucji; G  oznacza miejsce glikozylacji. Pozostałe wyjaśnienia w tekście pracy. Rycinę przygotowano na podstawie [30-32], zmieniono.
454 www.postepybiochemii.pl
nę transbłonową (TM); domeny o strukturze  coiled-co-
il (CC1/CC2), domenÄ™ regulatorowÄ… (CMD, ang. CRAC
modulatory domain), domenę inaktywacji białka STIM (ID-
STIM, ang. inactivation domain of STIM1), domenÄ™ odpo-
wiedzialną za oligomeryzację białka STIM1 (SHD, ang.
STIM1 homomerization domain), rejon bogaty w reszty se-
ryny i proliny (ang. serine/proline-rich region) oraz rejon
bogaty w reszty zasadowe (ang. polybasic cluster). Ponad-
to doświadczalnie wyróżniono następujące funkcjonalne
rejony w czÄ…steczce STIM1: domenÄ™ CAD (ang. CRAC
activating domain), rejon SOAR (ang. STIM Orai-activating
region), rejon Ccb9 o strukturze  coiled-coil , zawierajÄ…cy
fragment b9, domenÄ™ aktywacji OASF (ang. Orai-activa-
ting small fragment). Koniec karboksylowy białka STIM1
jest skierowany do cytoplazmy. Domena regulatorowa
zawiera potencjalne miejsca fosforylacji, które mogą
uczestniczyć w regulacji funkcji białka w czasie cyklu ko-
mórkowego [27,37]. Rejon bogaty w reszty zasadowe (li-
zyny) może odpowiadać za oddziaływanie białka STIM1
Rycina 2. Współdziałanie białek STIM z kanałami jonowymi utworzonymi przez
z cząsteczkami kwaśnych lipidów błony plazmatycznej
białka Orai w procesie zależnego od zmian zawartości jonów wapnia w siateczce
[28,32] (Ryc. 1).
śródplazmatycznej (ER) napływu jonów wapnia do komórki. W warunkach spo-
czynkowych, w których magazyny ER są wypełnione, białko STIM1 pozostaje w
Mimo wielu pytań, na które nadal nie ma dobrej od-
konformacji nieaktywnej (ang. closed conformation). W tej konformacji szczegól-
powiedzi, sekwencja zdarzeń następujących po opróż- ną rolę odgrywają oddziaływania pomiędzy helisą położoną w karboksylowym
końcu białka a rejonem CAD/SOAR (domena CC1; patrz rycina 1). W wyniku
nieniu magazynów wapniowych prowadzących do zmia-
pobudzenia komórki, przyłączenia agonistów do receptorów sprzężonych z biał-
ny struktury białka STIM, jego lokalizacji i ostatecznie
kami G i fosfolipazą C powstaje inozytolotrisfosforan (IP3), który wiążąc się z
aktywacji SOCE staje się coraz jaśniejsza. Zmniejszenie
receptorem na błonie ER (IP3R), wywołuje wypływ jonów wapnia z magazynów
ER. Zmniejszenie stężenia jonów wapnia w ER jest sygnałem powodującym agre-
zawartości wapnia (w istocie chodzi tu o stężenie Ca2+,
gację białek STIM1 w błonie ER w rejonach położonych w pobliżu błony plazma-
które jest w równowadze z wapniem związanym z biał-
tycznej. Umożliwia to oddziaływanie z białkiem Orai1 tworzącym tetrameryczne
kami i stanowi tylko niewielki jego ułamek) prowadzi kanały jonowe. Białka STIM1 oddziałują z białkami Orai końcami karboksylowy-
mi. Niewielka populacja białka STIM, której nie uwidoczniono na schemacie, zlo-
do oligomeryzacji czÄ…steczek STIM1 i tworzenia skupisk
kalizowana jest również w błonie plazmatycznej, ale ich znaczenie jest niejasne
(tzw. puncta) w pobliżu miejsc kontaktu błon ER z bło-
(przygotowano na podstawie [22,32], zmienione).
ną plazmatyczną [28]. Sygnałem do takiej reorganizacji
jest dysocjacja Ca2+ od wiążącej jony domeny EF-hand (Kd
0,2 0,6 mM) [38]. Znaczenie tej domeny zostało udowod- Zaproponowano, że rejon ten oddziałuje z cząsteczkami
nione w doświadczeniach polegających na wprowadze- fosfatydyloinozytolobisfosforanu (PIP2) w błonie plazma-
tycznej i może odpowiadać za kierowanie oligomerów
niu w jej obszarze mutacji punktowej uniemożliwiającej
wiązanie Ca2+. Tak zmodyfikowane białko STIM1 nie re- STIM1 do błony [28], ale koncepcja ta nie jest powszech-
nie akceptowana [19,45-47]. Wskazuje się także na od-
agowało na zmiany stężenia Ca2+ i  zachowywało się tak
jak w sytuacji całkowitego opróżnienia magazynów wap- działywania STIM1 z białkiem kanałowym Orai1, mające
wpływ na stabilizację połączeń ER-błona plazmatyczna, i
niowych; tworzyło trwałe skupiska w miejscach kontaktu
ER/błona plazmatyczna i aktywowało w sposób konsty- decydujące o otwarciu kanału SOC [44,48,49].
tutywny napływ Ca2+ do komórek [35,39-41]. Wykaza-
no ponadto, że domena EF-hand współdziała z domeną Wspomina się także o możliwej funkcji iPLA2beta (izo-
SAM białka. Oddysocjowanie Ca2+ od domeny EF-hand forma fosfolipazy A2 niezależnej od jonów wapnia) jako
w odpowiedzi na zmniejszenie zawartości wapnia w ER, białka uczestniczącego w oddziaływaniach STIM1 i Orai1
destabilizuje strukturę SAM-EF-hand, co prowadzi do [50,51]. Zasugerowano przy tym udział rozpuszczalnego
oligomeryzacji czÄ…steczek STIM1 [42] i jest wystarczajÄ…ce czynnika CIF (ang. Ca2+ influx factor) w tym procesie, co
do zmiany lokalizacji STIM1 w obrębie ER, oddziaływa- jest nawiązaniem do w istocie zarzuconej koncepcji tłu-
nia z białkami błony plazmatycznej i do aktywacji SOCE maczącej aktywację SOCE, właśnie w oparciu o syntezę
(Ryc. 2) [22,32,43]. Co więcej, następująca zmiana kon- hipotetycznego czynnika wytwarzanego w ER [51].
formacyjna odsłania domeny CAD tak, że białko STIM1
może oddziaływać z Orai1 [44]. Należy podkreślić, że przemieszczenie się białka
STIM1 do błony plazmatycznej może zachodzić nieza-
Przemieszczenie się oligomerów STIM1 do miejsc kon- leżnie od mechanizmu SOCE i białek Orai1, co wskazuje
taktu ER z błoną plazmatyczną i ich oddziaływanie z biał- na możliwość udziału białka STIM1 także w innych niż
kami tworzącymi kanały wapniowe w tej błonie zależy SOCE procesach biologicznych [21,27,37].
głównie od funkcjonalnych domen zlokalizowanych w
STIM2
karboksylowym końcu białka. Usunięcie rejonu zawiera-
jÄ…cego wiele reszt zasadowych (domena K na Ryc. 1A)
prowadzi do zahamowania przemieszczania się STIM1 Białko STIM2 człowieka jest kodowane przez gen
bez wpływu na jego zdolność do oligomeryzacji [28,44]. STIM2 [30], który wchodzi w skład rodziny genów kodu-
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 455
jących białka STIM, pochodzących od wspólnego przod-
Białko STIM2 współwystępuje w większości zbada-
ka. Podobnie jak białko STIM1, białko STIM2 jest zloka-
nych dotąd tkanek człowieka oraz w wielu liniach ko-
lizowane w błonie siateczki śródplazmatycznej. Wydaje
mórkowych razem z białkiem STIM1 [15,71]. Transkryp-
się, że STIM2, w odróżnieniu od STIM1, uczestniczy w
cja genu STIM2 ulega dynamicznym zmianom, np. w
stabilizacji stężenia jonów wapnia w cytoplazmie i ich
trakcie różnicowania komórek [15].
zawartości w magazynach wewnątrzkomórkowych w
stanie spoczynku, jakkolwiek udział białka w mechani-
Funkcja STIM2 jest nadal przedmiotem dyskusji. Wy-
zmie SOCE w warunkach pobudzenia komórki też jest
ciszanie genu kodującego białko STIM2 powoduje tylko
postulowany [52]. Wyniki badań ostatnich lat wskazują
niewielkie zmniejszenie intensywności SOCE [35,58,72],
na udział STIM2 w rozwoju i funkcjonowaniu różnych ty-
podczas gdy zmniejszenie ekspresji genu STIM1 powo-
pów komórek, takich jak mioblasty mięśni gładkich, ko-
duje istotne upośledzenie pojemnościowego napływu jo-
mórki układu odpornościowego i komórki nerwowe oraz
nów wapnia [34,35,39,41,63].
w procesach patologicznych, takich jak rozwój nowotwo-
rów i chorób autoimmunologicznych oraz umieranie ko-
Badania na myszach, w których nie dochodzi do eks-
mórek nerwowych w wyniku ischemii [53]. Gen kodujący
presji genu kodujÄ…cego STIM2 oraz badania prowadzo-
białko STIM2 zawiera 12 eksonów. W genomie człowieka
ne na liniach komórkowych, wskazują na udział białka
jest zlokalizowany na chromosomie 4p15.1. Jego struktu-
STIM2 w procesie rozwoju oraz w przebiegu kluczo-
ra jest bardzo podobna u innych organizmów eukario-
wych funkcji komórek. Istnieją doniesienia sugerujące, że
tycznych, co sugeruje ewolucję od wspólnego przodka
białko to jest związane z powstawaniem różnorodnych
[54].
stanów patologicznych, takich jak nowotwory, choroby
Białko STIM2 zawiera 833 reszty aminokwasowe (Mr autoimmunologiczne i prawdopodobnie choroby neuro-
105 115 kDa), czyli o 143 więcej niż białko STIM1 i za- degeneracyjne [73-79].
chowuje szczególnie wysokie podobieństwo do białka
STIM1 w końcu aminowym [30]. Ulega modyfikacjom Partnerami białka STIM2, są białka STIM1 [31,58,67],
potranslacyjnym in vivo, takim jak fosforylacja, glikozy- białka tworzące kanały błonowe, takie jak Orai lub TRPC
lacja i ograniczona proteoliza powodująca usunięcie w [80], kalmodulina [66,70], a także fosfolipidy fosfoino-
części końca aminowego fragmentu kierującego do sia- zytolowe [81]. Ekspresja genu kodującego STIM2 jest
teczki śródplazmatycznej (w przypadku białka człowieka prawdopodobnie regulowana przez preseniliny w fibro-
zbudowanego z 14 reszt aminokwasowych) [30]. Rejon blastach embrionów myszy, a także w limfocytach B czło-
końca aminowego białka STIM2 jest eksponowany do wieka [82].
wnętrza ER i zawiera m.in. motyw wiążący jony wapnia
KANAÅ‚y WAPNIOWE SOC
o strukturze kanonicznej EF-hand, oraz domenÄ™ SAM
uczestniczącą w oddziaływaniach białko-białko [55,56].
Białko STIM2, podobnie jak białko STIM1, ma jedną do- Kanały wrażliwe na stopień wypełnienia wewnątrzko-
menę transbłonową. Koniec karboksylowy zwiera rejony mórkowych magazynów jonów wapnia (SOC) występują
o strukturze ą-helisy, a także domenę regulatorową [57], w błonach plazmatycznych niemal wszystkich komórek,
która pośredniczy m.in. w oddziaływaniach pomiędzy włącznie z miocytami, neuronami i komórkami wydziel-
białkami STIM [31,58] (Ryc. 1). Motyw EF-hand podobnie niczymi. Ich wspólną cechą wydaje się aktywacja w na-
jak w przypadku STIM1 jest elementem reagującym na stępstwie oddziaływania z białkiem STIM (patrz dalej)
zmiany stężenia jonów wapnia w magazynach siateczki [83,84]. Natomiast natura kompleksu białek tworzących
śródplazmatycznej, co podobnie jak w przypadku biał- te kanały nie jest jednakowa. Niewątpliwie kluczowe
ka STIM1 wykazano badając mutanty o niefunkcjonalnej znaczenie w aktywacji kanałów SOC mają białka Orai.
domenie EF-hand w tym białku, u których dochodzi do
BIAÅ‚KA ORAI
aktywacji SOCE bez względu na stopień wypełnienia ma-
gazynów wapniowych [35,40,59,60]. Wykazano jednak,
że istnieją różnice dotyczące powinowactwa białek STIM Białko Orai1, będące jednym z przedstawicieli tej gru-
do jonów wapnia. STIM2 Kd ~ 0,5 mM; STIM1 Kd 0,2 0,6 py, tworzy kanał wapniowy o znacznej selektywności w
mM Ca2+ [38,61,62]). A zatem, rola białka STIM2 jest po- stosunku do jonów wapnia. Jego inną rzadziej stosowa-
dobna do omówionej powyżej roli białka STIM1 z tym, ną, ale wskazującą na funkcję, nazwą jest CRACM (ang.
że ja STIM2 odznacza się nieco mniejszą wrażliwością na CRAC modulator) [85]. U człowieka jest kodowane przez
zmiany stężenia jonów wapnia niż białko STIM1 [42,63]. gen ORAI1 zawierający jedynie 2 eksony. Białko Orai1
Domena SAM jest niezbędna dla oligomeryzacji białka, a zbudowane jest z 301 reszt aminokwasowych [86]. W ko-
mutacje wprowadzone w tym rejonie sprawiają, że białko mórkach ssaków występują także paralogi białka Orai1
to nie uczestniczy w procesie powstawania kompleksów znane jako Orai2 i Orai3. Białka Orai nie wykazują po-
w rejonie miejsc kontaktowych z błoną plazmatyczną dobieństw w budowie i sekwencji do innych kanałów jo-
[64]. Rejon karboksylowy białka STIM2 znacznie różni się nowych. Charakteryzują się obecnością czterech domen
od analogicznego obszaru w cząsteczce STIM1, co może transbłonowych. W błonie plazmatycznej tworzą kanały
świadczyć o niejednakowych funkcjach białek [65]. Rejon o budowie tetrametrycznej, w których kluczowe znacze-
ten odpowiada m.in. za oddziaływania z białkami part- nie ma reszta glutaminianu w pozycji E106 znajdującej
nerskimi, takimi jak kalmodulina [66] oraz białkami Orai się w pierwszej helisie transbłonowej, oddziałująca z Ca2+
i TRPC1, podobnie jak w przypadku STIM1 [67-70]. [5,87-89]. O ile udział białka Orai1 w tworzeniu homote-
456 www.postepybiochemii.pl
podrodziny TRPC (ang. transient receptor potential ca-
nonical) opisanych po raz pierwszy u muszki owocowej.
Obecnie znanych jest 7 przedstawicieli należących do tej
grupy (TRPC1-7). W cząsteczkach białek TRPC występu-
ją powtórzenia o sekwencji podobnej do ankiryny [93].
Chociaż wszystkie białka TRPC są zdolne do tworzenia
oligomerów i mogą tworzyć kanały kationowe o niskiej
selektywności w następstwie aktywacji fosfolipazy C, to
ich właściwości regulacyjne i mechanizm aktywacji nie
są jednakowe i odbiegają znacznie od właściwości CRAC
[92]. Część z nich ulega aktywacji w wyniku opróżnie-
nia magazynów wapniowych i w ten sposób spełnia
podstawowe kryterium mechanizmu SOCE, a część jest
aktywowana po przyłączeniu ligandu/agonisty i nale-
Rycina 3. Budowa kanału Orai. Białko Orai zawiera 4 domeny transbłonowe
ży do innej kategorii [94]. W kontekście aktywacji SOCE
(M1-M4). Końce aminowy i karboksylowy białka są eksponowane do cytopla-
(ale raczej z wyłączeniem CRAC) szczególne znaczenie
zmy. Mutacje reszt E106 i E190 prowadzą do inaktywacji kanału jonowego, co
stanowi dowód, że białka Orai tworzą część kanału odpowiedzialną za przepływ
przypisuje się białku TRPC1. Występuje ono powszech-
jonów (część porowa kanału) [89]. Reszty E106, D110 i D112 reprezentują reszty
nie w komórkach ośrodkowego układu nerwowego oraz
wiążące jony wapnia [48]. Reszty aminokwasowe odpowiedzialne za utworzenie
mięśniach szkieletowych, mięśniach gładkich w sercu i
pora oraz tworzące filtr selektywności są zlokalizowane w domenie M1 podczas,
gdy reszty w domenie M3 mogą być odpowiedzialne za bramkowanie (ang. ga- w wielu typach komórek niepobudliwych elektrycznie
ting) kanału. Koniec aminowy zawiera reszty K85, R91, które są odpowiedzialne
[95]. Białko to tworzy stosunkowo niespecyficzne kanały
za bramkowanie kanału, a także za zależne od jonów wapnia wiązanie z kal-
jonowe o niejednakowych właściwościach biofizycznych,
moduliną (reszty A73, W76, y80; CDB, domena wiążąca kalmodulinę [90], kolor
czerwony). W końcu karboksylowym zlokalizowane są reszty naładowane (E272,
co jest zapewne spowodowane jego oddziaływaniami z
E275, E278) oraz reszty hydrofobowe (L273, L276), odpowiedzialne za tworze-
innymi białkami TRPC. Wykazano także, że istnieje wy-
nie struktury coiled-coil (domena CC, kolor różowy) i oddziaływanie z białkiem
raz
na komórkowa specyficzność w stosunku do innych
STIM1 [49]. Na rycinie zaznaczono również położenie miejsca glikozylacji (N223)
[91] oraz kolorem granatowym zidentyfikowane mutacje prowadzÄ…ce do zabu-
białek TRPC oddziałujących z TRPC1. To może tłuma-
rzeń syntezy i/lub funkcji białka Orai1 [86]. Rycinę przygotowano na podstawie
czyć znaczne zróżnicowanie właściwości kanałów, w
[22,29,32], zmienione.
których uczestniczy TRPC1 i ich specyficzność tkankową
związaną z wielorakimi funkcjami różnych narządów.
tramerycznego kanału in vivo jest powszechnie akcepto-
Na przykład w ośrodkowym układzie nerwowym kanały
wany to udział białek Orai2 i Orai3 mimo ich zdolności do
TRPC są zaangażowane w przekaz
nictwo synaptyczne, w
tworzenia kanałów jonowych w warunkach nadekspresji
mięśniach gładkich uczestniczą w procesie skurczu, a w
w układzie doświadczalnym, w układzie in vivo nie zo-
śliniankach biorą udział w aktywacji egzocytozy [92].
stał ostatecznie wyjaśniony. W warunkach nadekspresji,
Chociaż kanały wapniowe zawierające białko TRPC1
wraz z białkiem STIM1, tworzą one kanały wapniowe
często spełniają podstawowe kryterium przynależności
o właściwościach kinetycznych i wrażliwości na 2-APB
(ang. 2-aminoethoxydiphenyl borate, uznany inhibitor po- do SOC, jakim jest aktywacja wskutek opróżnienia maga-
zynów wapniowych, a także hamowanie zwrotne przez
jemnościowego napływu jonów wapnia), zbliżonych, ale
wewnątrzkomórkowe Ca+2, to mechanizm stymulacji na-
nie identycznych, do właściwości CRAC. Nie jest jednak
jasne czy różnice te, a także sam udział tych białek w na- pływu pojemnościowego z ich udziałem nie jest oczywi-
pływie Ca2+ w warunkach doświadczalnych, odzwiercie- sty. Rozważane były koncepcje sugerujące bezpośrednie
dlają sytuację in vivo. Obecność białka Orai1, stwierdzo- lub z udziałem innych białek (np. HOMER) oddziaływa-
nie receptorów IP3R siateczki śródplazmatycznej z biał-
no w wielu narządach, w tym w należących do układu
kami TRPC znajdującymi się w błonie plazmatycznej.
odpornościowego (śledziona, grasica, migdałki i komórki
Brano także pod uwagę możliwość regulacji SOCE po-
krwi), w gruczołach endo- i egzokrynnych, w skórze, w
przez zmianę ilości białek TRPC1 w błonie plazmatycz-
narządach układu sercowo-naczyniowego, w komórkach
nej, regulację jego oddziaływania z innymi składnikami
układu pokarmowego i wydzielniczego oraz w mięśniach
błony, z którymi tworzy supramolekularne kompleksy
szkieletowych. Budowa białek Orai jest przedstawiona na
(inne biaÅ‚ka TRPC, kaweolina, ²-tubulina) szczególnie w
rycinie 3 [22,29,32,48,49,86,89-91].
obszarze tratw lipidowych, a także zmiany oddziaływań
KANAÅ‚y TRP
z cytoszkieletem przebudowywanym w odpowiedzi na
pobudzanie komórek i możliwość kontrolowanego prze-
Orai1 jest nieodzownym elementem kanału wapnio- mieszczania się do błony plazmatycznej w odpowiedzi
wego CRAC występującego w limfocytach T i innych na pobudzenie komórki [92]. Żadna z tych koncepcji nie
komórkach układu odpornościowego. Nie jest to jednak przyniosła jednak rozstrzygającego wyjaśnienia i pozo-
jedyne białko jakie bierze udział w tworzeniu kanałów stawia wątpliwości.
wapniowych SOC. Także w limfocytach T kanał CRAC
nie jest jedynym kanałem wapniowym aktywowanym po Odkrycie białek STIM, a właściwie wyjaśnienie mecha-
opróżnieniu magazynów wapniowych [92]. nizmu CRAC w oparciu o oddziaływania STIM1 Orai1,
rzuciło nowe światło na mechanizm aktywacji kanałów
Nie ulega wątpliwości, że istotną rolę w aktywacji TRPC1. Wykazano, że białko STIM1 selektywnie oddzia-
SOCE odgrywają białka z rodziny TRP, a szczególnie z łuje z niektórymi białkami TRPC, w tym TRPC1, a oddzia-
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 457
ływanie to zwiększa się po farmakologicznym opróżnie- rzenie aktywnego kanału CRAC. Białko CRACR2A cha-
niu wewnątrzkomórkowych magazynów wapniowych. rakteryzuje się strukturą o wysokim stopniu zachowania
Sugeruje to pewne podobieństwo układu STIM1-Orai1 w trakcie ewolucji, co sugeruje, że ma ono duże znaczenie
oraz STIM1 i TRPC. Co więcej, w tym drugim przypad- w fizjologii komórki. Kompleksy białka CRAC2A z biał-
ku również udział Orai1 jest brany pod uwagę [96]. Ob- kami STIM1 i Orai1 ulegają dysocjacji w wyniku wzrostu
serwacja ta wskazuje na to, że STIM1 jest uniwersalnym stężenia jonów wapnia. Wyniki badań z wykorzystaniem
aktywatorem różnych kanałów wapniowych aktywo- techniki siRNA oraz mutantów punktowych wskazują, że
wanych pojemnościowo. Nie jest oczywiste, czy do po- CRACR2A wpływa na powstawanie kompleksów białek
wstawania prawidłowych oddziaływań między STIM1 STIM1 i Orai1 w odpowiedzi na opróżnienie wewnątrz-
a TRPC1 konieczny jest udział innych białek, co mogło komórkowych magazynów jonów wapnia. Szczególnie
by nawiązywać do wcześniej wspomnianych koncepcji istotna jest w tej aktywności domena EF-hand białka
aktywacji SOCE. Nie wyklucza się jednak udziału recep- CRAC2A. W wyniku mutacji genu w obszarze kodują-
tora IP3 (IP3R) w tym kompleksie białkowym. Co więcej, cym tę domenę prowadzącej do zmiany powinowactwa
sugeruje się także powstawania bardziej złożonych kom- do jonów wapnia, dochodzi do programowanej śmierci
pleksów zawierających oprócz białka STIM1 i TRPC1 tak- komórki, w wyniku zaburzeń procesu SOCE [98].
że białko Orai1 i nie wyklucza dodatkowych, tkankowo
SARAF
specyficznych oddziaływań z innymi białkami TRPC. Nie
jest także oczywiste, jaką funkcję pełni każdy ze składni-
Białko SARAF (inaczej zwane także białkiem TMEM66,
ków takich kompleksów. Być może białko Orai1 jest regu-
ang. transmembrane protein 66), w organizmie człowieka
latorem funkcji białek TRPC [6].
jest kodowane przez gen TMEM66. Jest negatywnym re-
gulatorem mechanizmu SOCE. Białko jest zlokalizowane
KANAÅ‚y ARC
w ER, gdzie wiąże się z białkiem STIM1, uczestnicząc w
Chociaż rola białka STIM1 jest kojarzona przede ten sposób w przebiegającym wolno procesie hamowania
wszystkim z napływem Ca2+ zależnym od stopnia opróż- SOCE. SARAF odgrywa zatem kluczową rolę w regula-
nienia magazynów wapniowych, istnieją dowody na to, cji wewnątrzkomórkowej homeostazy wapnia, a przede
że białko to wpływa także na funkcję kanałów jonowych wszystkim w stopniu wypełnienia magazynów ER. Pełni
ARC (ang. arachidonic acid-regulated Ca2+-selective channels), zatem funkcję czynnika chroniącego komórkę przed nad-
aktywowanych przez agonistów i niezależnych od stop- miernym napływem wapnia do cytoplazmy [99].
nia zapełnienia magazynów wapniowych w ER. Dotyczy
KALMODULINA
to prawdopodobnie tej puli cząsteczek STIM1, która jest
zlokalizowana w błonie plazmatycznej. Część STIM1 ule-
ga translokacji z ER do błony plazmatycznej zapewne w W ostatnich latach zidentyfikowano domenę wiążącą
wyniku zmian stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Ta kalmodulinę w białku Orai1 (reszty 68 91 zlokalizowa-
obserwacja, a również wspomniana wcześniej zdolność ne w aminowym końcu białka). Wykorzystując metodę
STIM1 do oddziaływania z białkiem TRPC1 wskazuje, wprowadzania mutacji punktowych oraz mutanty dele-
że białka STIM są bardziej uniwersalnym regulatorem cyjne wykazano, że kalmodulina bierze udział w kluczo-
napływu jonów wapnia do komórek, niż to dotychczas wym dla mechanizmu SOCE procesie zależnej od Ca2+ in-
sądzono [97]. Warto zwrócić uwagę na to, że aktywacja aktywacji kanału CRAC, współdziałając wraz z białkiem
kanałów ARC jest przykładem zjawiska utrudniającego STIM1, które rozpoznaje domenę aktywacji w kanale
identyfikację SOCE. Stymulacja komórek odpowiednim CRAC (ang. CRAC activation domain; reszty 342-448), w
agonistą prowadzi do zmniejszenia zawartości wapnia w regulacji SOCE [90].
ER, co aktywuje SOCE, ale jednocześnie wypływ Ca2+ z
SERCA
ER powoduje wzrost stężenia tego jonu w cytosolu (w ni-
niejszym artykule termin  cytosol odpowiada termino-
wi  cytoplazma podstawowa ). Dochodzi do aktywacji Ostatnio zaproponowano, że dodatkowym ważnym ele-
fosfolipazy A2, uwalniania kwasu arachidonowego z fos- mentem systemu aktywacji SOCE jest Ca2+-ATPaza z sia-
folipidów i aktywacji ARC. Jest to niewątpliwie zjawisko teczki sarko/śródplazmatycznej (SERCA), która współ-
towarzyszące uwalnianiu jonów wapnia z ER, ale nieza- występuje z białkiem STIM1 w miejscach kontaktu ER z
leżne od stopnia zapełnienia magazynów wapniowych. błoną plazmatyczną. Według tej koncepcji SERCA mia-
łaby współdziałać w procesie SOCE z kanałami SOC,
BIAÅ‚KA REGuLATOROWE SOCE
powodując szybkie usuwanie jonów wapnia z miejsc w
pobliżu  wylotu kanału SOC, charakteryzujących się
CRACR2A
bardzo wysokim stężeniem Ca2+, do wnętrza ER. W toku
Białko CRACR2A (ang. Ca2+ release-activated Ca2+ current badań wykazano, że współdziałanie to wymaga pra-
regulator 2A), znane także jako EFCAB4B lub FLJ33805, widłowej zawartości SERCA oraz białek STIM1 i Orai.
jest białkiem wiążącym jony wapnia i oddziałującym bez- Stwierdzono, że nadekspresja genu kodującego białko
pośrednio z kompleksem białek Orai1 i STIM1. Uczest- Orai wywołuje wbrew oczekiwaniom tylko niewielkie
niczy w regulacji SOCE w komórkach systemu odpor- zmiany w procesie SOCE (spadek napływu jonów wap-
nościowego (limfocyty T), bezpośrednio oddziałując z nia do cytoplazmy) mimo dość znacznej zmiany stosunku
domenami cytoplazmatycznymi białek Orai i STIM1 i białek STIM i Orai, ważnego dla prawidłowego przebie-
modulując w ten sposób translokację tych białek i two- gu SOCE. Nadekspresji genu kodującego białko Orai to-
458 www.postepybiochemii.pl
warzyszyły poważne zaburzenia transportu jonów wap- zasobów wapniowych w siateczce śródplazmatycznej
nia do wnętrza magazynów ER (zaburzenia aktywności [105,106].
ATPazy SERCA). Efekt ten ulegał odwróceniu poprzez
wywołanie wzrostu zewnątrzkomórkowego stężenia jo- CHOROBy ZWI
ZANE Z MuTACJAMI
BIAÅ‚EK STIM1 I ORAI1
nów wapnia lub nadekspresję genu kodującego białko
STIM1. W komórkach uprzepuszczelnionych zjawisko to
Zaburzenia homeostazy wapniowej towarzyszÄ… wie-
zanikało [100]. Jako wytłumaczenie tego zjawiska zapro-
lu stanom patologicznym. Często są one wtórne w sto-
ponowano, że nadmiar białka Orai zaburza prawidłową
sunku do innych przyczyn leżących u podstaw choro-
topologię ATPazy SERCA w błonie ER, powodując zmia-
by, ale bywa też tak, że anomalie dotyczące gospodarki
ny jej zdolności transportu jonów wapnia do wnętrza cy-
wapniowej komórki są pierwotną przyczyną patologii.
stern ER. Dalszych dowodów na istnienie ścisłego związ-
Ta ogólna prawda dotyczy także pojemnościowego na-
ku pomiędzy procesem SOCE a transportem jonów wap-
pływu jonów wapnia. Zrozumienie mechanizmu pojem-
nia katalizowanym przez ATPazę SERCA dostarczyły
nościowego oraz identyfikacja białek uczestniczących w
wyniki doświadczeń, w których modelem były komórki
tym procesie stało się kluczem do ustalenia etiologii cho-
z wyciszonym genem kodującym białko STIM1, ale z nie-
rób, których związki z sygnalizacją wapniową nie były
naruszona błoną plazmatyczną. W tych komórkach, za-
wcześniej potwierdzone i oczywiste. Zaburzenia CRAC
obserwowano zahamowanie transportu jonów wapnia do
mogą towarzyszyć rozmaitym nieprawidłowościom bę-
wnętrza magazynów ER, co może świadczyć o istnieniu
dÄ…cym rzeczywistym czynnikiem etiologicznym. Tak jest
ścisłego powiązania pomiędzy elementami kompleksu
w przypadku zaburzeń metabolizmu mitochondriów, na
SOC (ang. calcium entry-calcium refilling) a ATPazÄ… SER-
przykład w następstwie mutacji w genach kodujących
CA w procesie SOCE [101].
białka mitochondrialne, kiedy ograniczona zdolność bu-
forowania jonów wapnia przyspiesza zwrotne zahamo-
BIAÅ‚KA MITOCHONDRIALNE
wanie napływu pojemnościowego [102,103,107]. Również
Obserwacje, że depolaryzacja błony mitochondrialnej zwiększona aktywność napływu pojemnościowego jonów
oraz zaburzenia mitochondrialnego wymiennika sód- wapnia we włóknach mięśniowych pochodzących od pa-
-wapń (NCXmito) wpływają na napływ jonów wapnia do cjentów z dystrofią Duchenne a jest wtórna w stosunku
komórek w mechanizmie SOCE, wskazują na udział mi- do mutacji w genie dystrofiny, chociaż bezpośrednio spo-
tochondriów w regulacji tego procesu. Istnieje wiele prac, wodowana zwiększoną zawartością białek STIM1 i Orai1
należących już do klasyki w tej dziedzinie, wskazujących w komórkach [108]. Jednak w kontekście niniejszej pracy
na to, że kanały SOC ulegają hamowaniu zwrotnemu istotne wydają się te stany patologiczne, których pier-
przez jony wapnia, których stężenie w pobliżu  wylotu wotną przyczyną jest zmiana spowodowana mutacjami
kanału jest bardzo wysokie [102,103]. Usuwanie tych jo- lub zaburzoną ekspresją genów kodujących białka ściśle
nów wydłuża czas trwania sygnału wapniowego, opóz
- związane z mechanizmem CRAC. W świetle współcze-
niając inaktywacje SOCE, która ostatecznie następuje po snych danych dotyczy to przede wszystkim białek STIM1
uzupełnieniu zasobów wapniowych w siateczce śród- i Orai1, chociaż mutacje genów kodujących inne białka,
plazmatycznej. Usuwanie jonów wapnia z rejonu  oko- np. TRPC, które uczestniczą w napływie jonów wapnia
łokanałowego jest w dużej części związane z ich bufo- w następstwie opróżnienia magazynów wapniowych
rowaniem przez mitochondria [102,103]. Funkcja ta jest (SOCE), mogą także prowadzić do rozwoju zidentyfiko-
pełniona przez mitochondria znajdujące się w pobliżu wanych już patologii [29]. Identyfikacja białek uczestni-
kanałów SOCE, ale w istocie nie wymaga tworzenia sta- czących w CRAC i ustalenie ich funkcji w utrzymywa-
bilnych struktur stabilizujących oddziaływania między niu homeostazy wapniowej oraz identyfikacja mutacji w
mitochondriami a błoną plazmatyczną w pobliżu wystę- kodujących je genach wyjaśniło podstawy kilku rzadko
powania białek Orai i STIM1 [104]. Ze względu na to, że występujących, ale bardzo poważnych chorób. Ich cięż-
pobieranie Ca2+ do macierzy mitochondrialnej zachodzi ki i nieuchronnie zagrażający życiu przebieg dodatkowo
kosztem mitochondrialnego potencjału błonowego, za- podkreśla znaczenie pojemnościowego napływu jonów
burzenie funkcji tych organelli, np. na skutek podanie wapnia nie tylko w skali komórki, ale całego organizmu.
substancji rozprzęgającej oksydacyjną fosforylację unie-
możliwia buforowanie Ca2+ i tym samym przyspiesza Do najczęściej opisywanych przykładów takich patolo-
hamowanie SOCE. Pobieranie i przejściowe buforowanie gii należą zaburzenia ze strony układu odpornościowego
Ca2+ przez mitochondria nie tylko moduluje aktywność określane wspólnym terminem złożonego, ciężkiego upo-
SOC. Stopniowe uwalnianie jonów wapnia po ustaniu śledzenia odporności (SCID, ang. severe complex immuno-
pobudzania komórki przedłuża sygnał wapniowy. Po- deficiency). Ten zespół chorobowy w większości przypad-
nadto, pobierając jony wapnia mitochondria wpływają ków jest spowodowany mutacjami, które nie dotykają
na kształtowanie sygnału wapniowego modulując nie bezpośrednio białek związanych z sygnalizacją wapnio-
tylko czas jego trwania ale też amplitudę i lokalizację w wą (jej zaburzenia mogą być wtórne) i objawia się między
komórce. Wydaje się też, że mitochondria uczestniczą w innymi nieprawidłowym rozwojem i zmniejszoną liczbą
regulacji przemieszczania się jonów wapnia przez błonę limfocytów T i B. Są to przede wszystkim mutacje genów
siateczki śródplazmatycznej. Z jednej strony, wychwytu- kodujących interleukiny, a także białka zaangażowane w
ją Ca2+ wypływający przez kanały związane z receptora- prezentację antygenu i sygnalizację wewnątrzkomórko-
mi IP3, z drugiej zaś uwalniają  zbuforowany Ca2+ w po- wą oraz szereg innych specyficznych dla układu odpor-
bliżu pomp SERCA uczestnicząc w procesie uzupełniania nościowego [109,110]. W nielicznych jednak przypadkach
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 459
ciężkiemu upośledzeniu odporności nie towarzyszy ani kach napływ jonów wapnia nie różnił się od obserwowa-
zmniejszenie liczby komórek układu odpornościowego nego w komórkach prawidłowych. Znany jest przypadek
ani zaburzenie ich rozwoju, natomiast nie ulegają one ak- przekazania przez każdego z rodziców (bezobjawowych
tywacji w obecności fizjologicznego bodz
ca oddziałują- heterozygot) w różny sposób wadliwego genu, co spra-
cego w sposób prawidłowy z odpowiednim receptorem. wiło, że urodzone dziecko było heterozygotyczne w sto-
Jest to konsekwencją poważnego upośledzenia odpowie- sunku do każdej z tych mutacji, ale gen Orai1 był wadli-
dzi wapniowej komórek układu odpornościowego po wy w obu allelach [113].
stymulacji odpowiednich receptorów [111]. W przypad-
Choroby spowodowane mutacjami w genie kodujÄ…cym
ku komórek T są to receptory TCR stymulowane przez
STIM1 stwierdzane są równie rzadko jak w przypadku
kompleks antygen-MHC. W prawidłowej sytuacji docho-
mutacji w genie kodującym Orai1. Również wtedy obser-
dzi do natychmiastowej aktywacji SOCE i odpowiedzi
wowano całkowite zahamowanie aktywności SOCE. W
wapniowej, umożliwiającej wytworzenie synapsy im-
dotychczas opisanych nielicznych przypadkach wykaza-
munologicznej z komórką prezentująca antygen i długo-
no obecność autosomalnej recesywnej mutacji powodują-
trwałe pobudzanie limfocytu. W limfocytach B aktywacja
cej przesunięcie ramki odczytu wskutek insercji pojedyn-
komórki następuje wskutek stymulacji receptorów BCR,
czego nukleotydu, co sprawiało, że w komórkach homo-
a np. w monocytach są to receptory Fc. W każdym przy-
zygotycznych nie wykrywano ani transkryptu ani białka
padku dochodzi do aktywacji fosfolipazy C, wytworze-
STIM1. Co ciekawe, obecność natywnego białka STIM2,
nia IP3, uwolnienia wapnia z siateczki śródplazmatycz-
które jest zaangażowane w utrzymywanie spoczynko-
nej i aktywacji SOCE jak opisano wcześniej. Powoduje to
wego SOCE w komórkach T oraz uzupełnianie zapasów
znaczne przedłużenie sygnału wapniowego konieczne
wapnia w ER w komórce niepobudzonej (jak już wspo-
dla aktywacji czynnika NFAT co np. w przypadku komó-
mniano wcześniej) nie kompensuje braku STIM1. Nato-
rek T jest konieczne dla wytwarzanie cytokin. Ten sposób
miast nadekspresja STIM2 w komórkach pozbawionych
pobudzania komórek układu odpornościowego jest klu-
STIM1 przywraca aktywność SOCE. Podobny i zgodny
czowy dla ich funkcji; bez tego prawidłowa odpowiedz

z oczekiwaniem efekt uzyskiwano po wprowadzeniu
układu odpornościowego jest niemożliwa [14].
do komórek pochodzących od pacjentów prawidłowego
Badania genetyczne pacjentów obciążanych SOCE wy- genu STIM1 [14,29].
kazały, że zdecydowany brak odpowiedzi wapniowej
może być skorelowany z mutacjami omawianych wcze- Niewielka liczba opisanych dotychczas przypadków
śniej białek Orai1 i STIM1. Obserwacje te są potwierdzone SCID spowodowanych mutacjami w genach kodujących
doświadczalnie z wykorzystaniem myszy pozbawionych Orai1 lub STIM1 sprawia, że pełen obraz choroby obej-
genu Stim1 w obwodowych komórkach T. W przypadku mującej nie tylko układ odpornościowy jest trudny do
tych zwierząt uogólniona delecja genu Stim1 jest przy- ujednolicenia. Najważniejszą cechą jest ciężkie upośle-
czyną śmierci w okresie okołourodzeniowym [112]. Po- dzenie odporności i nawracające trudne do zwalczenia
dobnie upośledzenie funkcji komórek tucznych obserwu- bakteryjne, wirusowe i grzybicze infekcje prowadzące w
je się u myszy z wyłączonym genem Orai1 [113]. Dowo- efekcie do przedwczesnej śmierci. Podejmowane próby
dem na to, że zaburzenie dotyczy bezpośrednio mecha- antybiotykoterapii oraz podawanie dożylne immuno-
nizmu SOCE jest brak odpowiedzi wapniowej komórek globulin nie przynoszą pozytywnych rezultatów. Pewne
pochodzących od pacjentów dotkniętych tą chorobą nie nadzieje przynoszą próby transplantacji macierzystych
tylko na stymulację agonistą, ale także po farmakologicz- komórek hematopoetycznych [29].
nym opróżnieniu wewnątrzkomórkowych magazynów
wapniowych z wykorzystaniem tapsygarginy lub kwasu Zaburzenia ze strony układu odpornościowego są bar-
cyklopiazonowego (inhibitory pompy wapniowej w ER) dzo poważną, ale nie jedyną konsekwencją mutacji w ge-
albo jonomycyny. nach kodujących białka Orai1 i STIM1. Napływ pojem-
nościowy jonów wapnia jest powszechnie występującym
Mutacje genu kodującego Orai1 uniemożliwiające mechanizmem wytwarzania i modulowania sygnałów
aktywację SOCE występują bardzo rzadko. Do tej pory wapniowych, stąd jego upośledzenie może wpływać na
stwierdzono je u 6 osób pochodzących z 3 niespokrew- homeostazę wapniową różnych typów komórek, co u
nionych rodzin. Były to autosomalne recesywne mutacje pacjentów-nosicieli takich mutacji objawia się dodatko-
powodujące albo powstawanie białka niefunkcjonalnego wymi zaburzeniami nie związanymi z układem odpor-
(w skutek mutacji punktowej R91W, zaburzającej tworze- nościowym.
nie kanału jonowego, ale nie wpływające na lokalizacje
białka w błonie plazmatycznej) albo całkowity brak tego Jako najważniejsze, poza immunologicznymi objawy
białka w wyniku mutacji (insercji) powodującej zmianę mutacji w genach STIM1 i ORAI1 wymienia się wrodzoną
ramki odczytu i przez to całkowity brak zarówno mRNA miopatię, której objawy pojawiają się wkrótce po urodze-
jak i białka Orai1. Żadna mutacja w pojedynczym allelu niu. Osłabieniu siły mięśni obok zaburzeń lokomocyj-
genu Orai1 nie powoduje objawów choroby w warunkach nych towarzyszą jako konsekwencja, komplikacje ze stro-
fizjologicznego stężenia Ca2+ w środowisku. Niewielkie, ny układu oddechowego. Badania strukturalne i elektro-
zmniejszenie aktywności SOCE w komórkach heterozy- fizjologiczne wskazują na to, że białka STIM1 i Orai1 są
gotycznego nosiciela mutacji R91W stwierdzono jedynie konieczne dla prawidłowego różnicowania mioblastów i
w obecności znacznie niższych niż fizjologiczne stęże- funkcjonowania dojrzałego mięśnia. Sam proces skurczu
niach Ca2+ w warunkach in vitro. W normalnych warun- włókna mięśniowego nie wymaga bezpośredniego udzia-
460 www.postepybiochemii.pl
4. Brostrom MA, Brostrom CO (2003) Calcium dynamics and endopla-
łu SOCE, jednak pojemnościowy napływ jonów wapnia
smic reticular function in the regulation of protein synthesis: implica-
jest konieczny dla uzupełniania zasobów Ca2+ w siateczce
tions for cell growth and adaptability. Cell Calcium 34: 345-363
sarkoplazmatycznej [114].
5. Prakriya M (2009) The molecular physiology of CRAC channels. Im-
U pacjentów z mutacjami w genach kodujących białka
munol Rev 231: 88-98
STIM1 lub Orai1 występują także niektóre objawy EDA
6. Ong HL, Ambudkar IS (2011) The dynamic complexity of the TRPC1
(ang. anhydrotic ectodrmal dysplasia) czyli zespołu choro- channelosome. Channels (Austin) 5: 424-431
bowego charakteryzujÄ…cego siÄ™ licznymi zaburzeniami
7. Bakowski D, Parekh AB (2002) Permeation through store-operated
narządów pochodzenia ektodermalnego, jak skóra i jej CRAC channels in divalent-free solution: potential problems and im-
plications for putative CRAC channel genes. Cell Calcium 32: 379-391
twory. Choroba ta może być następstwem szeregu róż-
nych anomalii genetycznych niezwiÄ…zanych z SOCE i ob- 8. Gailly P (1998) Ca2+ entry in CHO cells, after Ca2+ stores depletion, is
mediated by arachidonic acid. Cell Calcium 24: 293-304
jawiać się szerokim spektrum zmian. U nielicznych zdia-
9. Shuttleworth TJ (2012) STIM and Orai proteins and the non-capacitati-
gnozowanych pacjentów z mutacjami w genach kodują-
ve ARC channels. Front Biosci 17: 847-860
cych białka STIM1 i Orai1 stwierdzono, obok zaburzeń ze
10. Girardin NC, Antigny F, Frieden M (2010) Electrophysiological cha-
strony układu odpornościowego dysplastyczne zmiany
racterization of store-operated and agonist-induced Ca2+ entry path-
szkliwa nazębnego spowodowane jego niewystarczająca
ways in endothelial cells. Pflugers Arch 460: 109-120
kalcyfikacjÄ…. Jest to spowodowane zaburzeniem pobiera-
11. Salmon MD, Ahluwalia J (2010) Discrimination between receptor- and
nia Ca2+ przez błonę podstawną ameloblastów i przez to
store-operated Ca2+ influx in human neutrophils. Cell Immunol 26: 1-5
jego wewnątrzkomórkowego transportu do błony apikal-
12. Vaca L (2010) SOCIC: the store-operated calcium influx complex. Cell
nej, gdzie jest wypompowywany przez pompÄ™ wapniowÄ…
Calcium 47: 199-209
i odkładany w postaci fosforanów. Innym zaburzeniem
13. Shen WW, Frieden M, Demaurex N (2011) Remodelling of the endo-
związanym z mutacją w genie kodującym białko Orai1
plasmic reticulum during store-operated calcium entry. Biol Cell 103:
jest upośledzenie zależnej od Ca2+ funkcji wydzielniczej
365-380
gruczołów potowych, co objawia się suchością skóry i
14. Oh-Hora M, Rao A (2008) Calcium signaling in lymphocytes. Curr Op
nietolerancją gorąca, a wtórnie prowadzi do zaburzeń
Immun 20: 250-258
termoregulacji [29].
15. Oh-Hora M, yamashita M, Hogan PG, Sharma S, Lamperti E, Chung
W, Prakriya M, Feske S, Rao A (2008) Dual functions for the endopla-
smic reticulum calcium sensors STIM1 and STIM2 in T cell activation
Podane przykłady nie wyczerpują zapewne listy
and tolerance. Nat Immunol 9: 432-443
wszystkich komplikacji spowodowanych mutacjami ge-
16. Feske S, Picard C, Fischer A (2010) Immunodeficiency due to muta-
nów kodujących białka Orai1 i STIM1. Wskazują jednak,
tions in ORAI1 and STIM1. Clin Immunol 135: 169-182
na wielorakość i rozległość ich następstw [29].
17. Ng AN, Krogh M, Toresson H (2011) Dendritic EGFP-STIM1 activa-
tion after type I metabotropic glutamate and muscarinic acetylcholine
PODSuMOWANIE
receptor stimulation in hippocampal neuron. J Neurosci Res 89: 1235-
1244
W niniejszej pracy przedstawiono w skrócie poglądy
18. Bennett DL, Bootman MD, Berridge MJ, Cheek TR (1998) Ca2+ entry
dotyczące aktywacji i regulacji pojemnościowego na-
into PC12 cells initiated by ryanodine receptors or inositol 1,4,5-tri-
pływu jonów wapnia do komórek. W ostatnich latach sphosphate receptors. Biochem J 329: 349-357
byliśmy świadkami wielkiego postępu w poznawaniu i
19. Barr VA, Bernot KM, Shaffer MH, Burkhardt JK, Samelson LE (2009)
Formation of STIM and Orai complexes: puncta and distal caps. Im-
zrozumieniu mechanizmów tego zjawiska. Liczba prac
munol Rev 231: 148-159
na ten temat ukazująca się w piśmiennictwie naukowym
20. Shen WW, Demaurex N (2012) Morphological and functional aspects
dowodzi ważności tego procesu. Jego odkrycie, a potem
of STIM1-dependent assembly and disassembly of store-operated cal-
wyjaśnienie stało się przełomowe dla rozwoju wiedzy o
cium entry complexes. Biochem Soc Trans 40: 112-118
sygnalizacji wapniowej w komórkach. Obecnie nie ma
21. Smyth JT, DeHaven WI, Bird GS, Putney JW Jr (2008) Ca2+-storedepen-
wątpliwości, że kluczową rolę w regulacji napływu po-
dent and -independent reversal of Stim1 localization and function. J
jemnościowego jonów wapnia odgrywają białka STIM i
Cell Sci 121: 762-772
Orai, ale nie ma też wątpliwości, że nie są to jedyne białka
22. Putney JW (2010) Pharmacology of store-operated calcium channels.
zaangażowane w SOCE ani, że nie jest to ich jedyna funk-
Mol Interv 10: 209-218
cja. Należy sądzić, że najbliższe lata przyniosą kolejne od-
23. Putney JW (2011) The physiological function of store-operated calcium
krycia, które dostarczą brakujących dzisiaj informacji na
entry. Neurochem Res 36: 1157-1165
temat różnych mechanizmów regulacji pojemnosciowego
24. Lewis RS (2011) Store-operated calcium channels: new perspectives
napływu jonow wapnia nie tylko w warunkach normy,
on mechanism and function. Cold Spring Harb Perspect Biol 3: doi:
ale także w stanach patologicznych, którym towarzyszą 10.1101/cshperspect.a003970
zaburzenia homeostazy i sygnalizacji wapniowej.
25. Berna-Erro A, Woodard GE, Rosado JA (2012) Orais and STIMs: phy-
siological mechanisms and disease. J Cell Mol Med 16: 407-424
PIÅšMIENNICTWO 26. Picard C, McCarl CA, Papolos A, Khalil S, Luthy K, Hivroz C, LeDeist
F, Rieux-Laucat F, Rechavi G, Rao A, Fischer A, Feske S (2009) STIM1
1. Putney JW Jr (1990) Capacitative calcium entry revisited. Cell Calcium
mutation associated with a syndrome of immunodeficiency and auto-
11: 611-624
immunity. N Engl J Med 360: 1971-1980
2. Putney JW Jr (2003) Capacitative calcium entry in the nervous system.
27. Smyth JT, Petranka JG, Boyles RR, DeHaven WI, Fukushima M, John-
Cell Calcium 34: 339-344
son KL, Williams JG, Putney JW (2009) Phosphorylation of STIM1
3. Parekh AB, Putney JW Jr (2005) Store-operated calcium channels. Phy-
underlies suppression of store-operated calcium entry during mitosis.
siol Rev 85: 757-810
Nat Cell Biol 11: 1465-1472
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 461
28. Liou J, Fivaz M, Inoue T, Meyer T (2007) Live-cell imaging reveals 47. Korzeniowski MK, Popovic MA, Szentpetery Z, Varnai P, Stojilkovic
sequential oligomerization and local plasma membrane targeting of SS, Balla T (2009) Dependence of STIM1/Orai1-mediated calcium en-
stromal interaction molecule 1 after Ca2+ store depletion. Proc Natl try on plasma membrane phosphoinositides. J Biol Chem 284: 21027-
Acad Sci USA 104: 9301-9306 21035
29. Feske S (2010) CRAC channelopathies. Pflugers Arch 460: 417-435 48. yeromin AV, Zhang S, Jiang W, yu y, Safrina O, Cahalan MD (2006)
Molecular identification of the CRAC channel by altered ion selectivi-
30. Williams RT, Manji SS, Parker NJ, Hancock MS, Van Stekelenburg
ty in a mutant of Orai. Nature 443: 226-229
L, Eid JP, Senior PV, Kazenwadel JS, Shandala T, Saint R, Smith PJ,
Dziadek MA (2001) Identification and characterization of the STIM 49. Muik M, Frischauf I, Derler I, Fahrner M, Bergsmann J, Eder P, Schindl
(stromal interaction molecule) gene family: coding for a novel class of R, Hesch C, Polzinger B, Fritsch R, Kahr H, Madl J, Gruber H, Grosch-
transmembrane proteins. Biochem J 357: 673-685 ner K, Romanin C (2008) Dynamic coupling of the putative coiled-coil
domain of ORAI1 with STIM1 mediates ORAI1 channel activation. J
31. Williams RT, Senior PV, Van Stekelenburg L, Layton JE, Smith PJ,
Biol Chem 283: 8014-8022
Dziadek MA (2002) Stromal interaction molecule 1 (STIM1), a trans-
membrane protein with growth suppressor activity, contains an extra- 50. Gwozdz T, Dutko-Gwozdz J, Zarayskiy V, Peter K, Bolotina VM
cellular SAM domain modified by N-linked glycosylation. Biochim (2008) How strict is the correlation between STIM1 and Orai1 expres-
Biophys Acta 1596: 131-137 sion, puncta formation, and ICRAC activation? Am J Physiol Cell Phy-
siol 295: C1133-1140
32. Muik M, Schindl R, Fahrner M, Romanin C (2012) Ca2+ release-activa-
ted Ca2+ (CRAC) current, structure, and function. Cell Mol Life Sci, w 51. Bolotina VM (2008) Orai, STIM1 and iPLA2beta: a view from a diffe-
druku rent perspective. J Physiol 586: 3035-3042
33. Parker NJ, Begley CG, Smith PJ, Fox RM (1997) Molecular cloning of a 52. Soboloff J, Rothberg BS, Madesh M, Gill DL (2012) STIM proteins: dy-
novel human gene (D11S4896E) at chromosomal region 11p15.5. Ge- namic calcium signal transducers. Nat Rev Mol Cell Biol 13: 549-565
nomics 37: 253-256
53. López E, Salido GM, Rosado JA, Berna-Erro A (2012) Unraveling
34. Roos J, DiGregorio PJ, yeromin AV, Ohlsen K, Lioudyno M, Zhang STIM2 function. J Physiol Biochem 68: 619-633
S, Safrina O, Kozak JA, Wagner SL, Cahalan MD, Veliçelebi G, Stau-
54. Strausberg RL, Feingold EA, Grouse LH, Derge JG, Klausner RD,
derman KA (2005) STIM1, an essential and conserved component of
Collins FS, Wagner L, Shenmen CM, Schuler GD, Altschul SF i inni;
store-operated Ca2+ channel function. J Cell Biol 169: 435-445
Mammalian Gene Collection Program Team (2002) Generation and in-
35. Liou J, Kim ML, Heo WD, Jones JT, Myers JW, Ferrell JE Jr, Meyer T itial analysis of more than 15,000 full-length human and mouse cDNA
(2005) STIM is a Ca2+ sensor essential for Ca2+-store-depletion-trigge- sequences. Proc Natl Acad Sci USA 99: 16899-16903
red Ca2+ influx. Curr Biol 15: 1235-1241
55. Kim CA, Bowie JU (2003) SAM domains: uniform structure, diversity
36. Dingsdale H, Voronina S, Haynes L, Tepikin A, Lur G (2012) Cellular of function. Trends Biochem Sci 28: 625-628
geography of IP3 receptors, STIM and Orai: a lesson from secretory
56. Qiao F, Bowie JU (2005) The many faces of SAM. Sci STKE 286: re7
epithelial cells. Biochem Soc Trans 40: 108-111
57. Parry DA, Fraser RD, Squire JM (2008) Fifty years of coiled-coils and
37. Smyth JT, Beg AM, Wu S, Putney JW Jr, Rusan NM (2012) Phospho-
alpha-helical bundles: a close relationship between sequence and
regulation of STIM1 leads to exclusion of the endoplasmic reticulum
structure. J Struct Biol 163: 258-269
from the mitotic spindle. Curr Biol 22: 1487-1493
58. Soboloff J, Spassova MA, Hewavitharana T, He LP, Xu W, Johnstone
38. Stathopulos PB, Li Gy, Plevin MJ, Ames JB, Ikura M (2006) Stored Ca2+
LS, Dziadek MA, Gill DL (2006) STIM2 is an inhibitor of STIM1-media-
depletion-induced oligomerization of stromal interaction molecule 1
ted store-operated Ca2+ entry. Curr Biol 16: 1465-1470
(STIM1) via the EF-SAM region: An initiation mechanism for capaciti-
59. Grosse J, Braun A, Varga-Szabo D, Beyersdorf N, Schneider B, Zeitl-
ve Ca2+ entry. J Biol Chem 281: 35855-35862
mann L, Hanke P, Schropp P, Mühlstedt S, Zorn C, Huber M, Schmit-
39. Zhang SL, yu y, Roos J, Kozak JA, Deerinck TJ, Ellisman MH, Stau-
twolf C, Jagla W, yu P, Kerkau T, Schulze H, Nehls M, Nieswandt B
derman KA, Cahalan MD (2005) STIM1 is a Ca2+ sensor that activates
(2007) An EF hand mutation in Stim1 causes premature platelet activa-
CRAC channels and migrates from the Ca2+ store to the plasma mem-
tion and bleeding in mice. J Clin Invest 117: 3540-3550
brane. Nature 437: 902-905
60. Zhang SL, yeromin AV, Zhang XH, yu y, Safrina O, Penna A, Roos
40. Mercer JC, Dehaven WI, Smyth JT, Wedel B, Boyles RR, Bird GS, Put-
J, Stauderman KA, Cahalan MD (2006) Genome-wide RNAi screen of
ney JW (2006) Large store-operated calcium selective currents due to
Ca2+ influx identifies genes that regulate Ca2+ release-activated Ca2+
co-expression of Orai1 or Orai2 with the intracellular calcium sensor,
channel activity. Proc Natl Acad Sci USA 103: 9357-9362
Stim1. J Biol Chem 281: 24979-24990
61. Zheng L, Stathopulos PB, Li Gy, Ikura M (2008) Biophysical charac-
41. Spassova MA, Soboloff J, He LP, Xu W, Dziadek MA, Gill DL (2006)
terization of the EF-hand and SAM domain containing Ca2+ sensory
STIM1 has a plasma membrane role in the activation of store-operated
region of STIM1 and STIM2. Biochem Biophys Res Commun 369: 240-
Ca2+ channels. Proc Natl Acad Sci USA 103: 4040-4045
246
42. Stathopulos PB, Zheng L, Li Gy, Plevin MJ, Ikura M (2008) Structural
62. Demaurex N, Frieden M (2003) Measurements of the free luminal ER
and mechanistic insights into STIM1-mediated initiation of store-ope-
Ca2+ concentration with targeted  cameleon fluorescent proteins. Cell
rated calcium entry. Cell 135: 110-122
Calcium 34: 109-119
43. Luik RM, Wang B, Prakriya M, Wu MM, Lewis RS (2008) Oligomeri-
63. Brandman O, Liou J, Park WS, Meyer T (2007) STIM2 is a feedback re-
zation of STIM1 couples ER calcium depletion to CRAC channel acti-
gulator that stabilizes basal cytosolic and endoplasmic reticulum Ca2+
vation. Nature 454: 538-542
levels. Cell 131: 1327-1339
44. Park Cy, Hoover PJ, Mullins FM, Bachhawat P, Covington ED, Raun-
64. Baba y, Hayashi K, Fujii y, Mizushima A, Watarai H, Wakamori M,
ser S, Walz T, Garcia KC, Dolmetsch RE, Lewis RS (2009) STIM1 clu-
Numaga T, Mori y, Iino M, Hikida M, Kurosaki T (2006) Coupling of
sters and activates CRAC channels via direct binding of a cytosolic
STIM1 to store-operated Ca2+ entry through its constitutive and indu-
domain to Orai1. Cell 136: 876-890
cible movement in the endoplasmic reticulum . Proc Natl Acad Sci
45. Broad LM, Braun FJ, Lievremont JP, Bird GS, Kurosaki T, Putney JW USA 103: 16704-16709
Jr (2001) Role of the phospholipase C-inositol 1,4,5-trisphosphate pa-
65. Huang GN, Zeng W, Kim Jy, yuan JP, Han L, Muallem S, Worley
thway in calcium release-activated calcium current and capacitative
PF (2006) STIM1 carboxyl-terminus activates native SOC, I(crac) and
calcium entry. J Biol Chem 276: 15945-15952
TRPC1 channels. Nat Cell Biol 8: 1003-1010
46. Barr VA, Bernot KM, Srikanth S, Gwack y, Balagopalan L, Regan CK,
66. Bauer MC, O Connell D, Cahill DJ, Linse S (2008) Calmodulin binding
Helman DJ, Sommers CL, Oh-Hora M, Rao A, Samelson LE (2008) Dy-
to the polybasic C-termini of STIM proteins involved in store-operated
namic movement of the calcium sensor STIM1 and the calcium chan-
calcium entry. Biochemistry 47: 6089-6091
nel Orai1 in activated T-cells: puncta and distal caps. Mol Biol Cell 19:
2802-2817
462 www.postepybiochemii.pl
67. Li Z, Lu J, Xu P, Xie X, Chen L, Xu T (2007) Mapping the interacting 84. Hewavitharana T, Deng X, Jonathan Soboloff J, Gill DL (2007) Role of
domains of STIM1 and Orai1 in Ca2+ release-activated Ca2+ channel STIM and Orai proteins in the store-operated calcium signaling path-
activation. J Biol Chem 282: 29448-29456 way. Cell Calcium 42: 173-182
68. Ong HL, Cheng KT, Liu X, Bandyopadhyay BC, Paria BC, Soboloff J, 85. Lis A, Peinelt C, Beck A, Parvez S, Monteilh-Zoller M, Fleig A, Penner
Pani B, Gwack y, Srikanth S, Singh BB, Gill DL, Gill D, Ambudkar IS R (2007) CRACM1, CRACM2, and CRACM3 are store-operated Ca2+
(2007) Dynamic assembly of TRPC1-STIM1-Orai1 ternary complex is channels with distinct functional properties. Curr Biol 17: 794-800
involved in store-operated calcium influx. Evidence for similarities in
86. Feske S, Gwack y, Prakriya M, Srikanth S, Puppel SH, Tanasa B, Ho-
store-operated and calcium release-activated calcium channel compo-
gan PG, Lewis RS, Daly M, Rao A (2006) A mutation in Orai1 causes
nents. J Biol Chem 282: 9105-9116
immune deficiency by abrogating CRAC channel function. Nature
69. yuan JP, Zeng W, Huang GN, Worley PF, Muallem S (2007) STIM1 441: 179-185
heteromultimerizes TRPC channels to determine their function as sto-
87. Vig M, Peinelt C, Beck A, Koomoa DL, Rabah D, Koblan-Huberson
re-operated channels. Nat Cell Biol 9: 636-645
M, Kraft S, Turner H, Fleig A, Penner R, Kinet JP (2006) CRACM1 is
70. Parvez S, Beck A, Peinelt C, Soboloff J, Lis A, Monteilh-Zoller M, Gill a plasma membrane protein essential for store operated Ca2+ entry.
DL, Fleig A, Penner R (2008) STIM2 protein mediates distinct store-de- Science 312: 1220-1223
pendent and store-independent modes of CRAC channel activation.
88. Prakriya M, Feske S, Gwack y, Srikanth S, Rao A, Hogan PG (2006)
FASEB J 22: 752-761
Orai1 is an essential poresubunitif the CRAC channel. Nature 443: 230-
71. Berna-Erro A, Braun A, Kraft R, Kleinschnitz C, Schuhmann MK, Ste- 233
gner D, Wultsch T, Eilers J, Meuth SG, Stoll G, Nieswandt B (2009)
89. McNally B, yamashita M, Engh A, Prakriya M (2009) Structural deter-
STIM2 regulates capacitive Ca2+ entry in neurons and plays a key role
minants of ion permeation in CRAC channels. Proc Natl Acad Sci USA
in hypoxic neuronal cell death. Sci Signal 2: ra67
106: 22516-22521
72. Soboloff J, Spassova MA, Tang XD, Hewavitharana T, Xu W, Gill DL
90. Mullins FM, Park Cy, Dolmetsch RE, Lewis RS (2009) STIM1 and cal-
(2006) Orai1 and STIM reconstitute store-operated calcium channel
modulin interact with Orai1 to induce Ca2+-dependent inactivation of
function. J Biol Chem 281: 20661-20665
CRAC channels. Proc Natl Acad Sci USA 106: 15495-15500
73. Pershouse MA, Ligon AH, Pereira-Smith OM, Killary AM, yung WK,
91. Gwack y, Srikanth S, Feske S, Cruz-Guilloty F, Oh-hora M, Neems DS,
Steck PA (1997) Suppression of transformed phenotype and tumorige-
Hogan PG, Rao A (2007) Biochemical and functional characterization
nicity after transfer of chromosome 4 into U251 human glioma cells.
of Orai proteins. J Biol Chem 282: 16232-16243
Genes Chromosomes Cancer 20: 260-267
92. Venkatachalam K, Montell C (2007) TRP channels. Annu Rev Biochem
74. Petersen S, Aninat-Meyer M, Schlüns K, Gellert K, Dietel M, Petersen I
76: 387-417
(2000) Chromosomal alterations in the clonal evolution to the metasta-
93. Nilius B, Owsianik G, Voets T, Peters JA (2007) Transient receptor po-
tic stage of squamous cell carcinomas of the lung. Br J Cancer 82: 65-73
tential cation channels in disease. Physiol Rev 87: 165-217
75. Richard F, Pacyna-Gengelbach M, Schlüns K, Fleige B, Winzer KJ, Szy-
94. Salido GM, Jardín I, Rosado JA (2011) The TRPC ion channels: associa-
mas J, Dietel M, Petersen I, Schwendel A (2000) Patterns of chromo-
tion with Orai1 and STIM1 proteins and participation in capacitative
somal imbalances in invasive breast cancer. Int J Cancer 89: 305-310
and non-capacitative calcium entry. Adv Exp Med Biol 704: 413-433
76. Ruano y, Mollejo M, Ribalta T, Fiańo C, Camacho FI, Gómez E, de
95. Ambudkar IS, Ong HL, Liu X, Bandyopadhyay B, Cheng KT (2007)
Lope AR, Hernández-Moneo JL, Martínez P, Meléndez B (2006) Iden-
TRPC1: The link between functionally distinct store-operated calcium
tification of novel candidate target genes in amplicons of Glioblastoma
channels. Cell Calcium 42: 213-223
multiforme tumors detected by expression and CGH microarray pro-
96. Jardin I, Lopez JJ, Salido GM, Rosado JA (2008) Orai1 mediates the
filing. Mol Cancer 5: 39
interaction between STIM1 and hTRPC1 and regulates the mode of
77. Scrideli CA, Carlotti CG, Okamoto OK, Andrade VS, Cortez MA,
activation of hTRPC1-forming Ca2+ channels. J Biol Chem 283: 25296-
Motta FJ, Lucio-Eterovic AK, Neder L, Rosemberg S, Oba-Shinjo SM,
25304
Marie SK, Tone LG (2008) Gene expression profile analysis of primary
glioblastomas and non-neoplastic brain tissue: identification of poten- 97. Shuttleworth TJ, Thompson JL, Mignen O (2007) STIM1 and the non-
tial target genes by oligonucleotide microarray and real-time quantita- capacitative ARC channels. Cell Calcium 42: 183-191
tive PCR. J Neurooncol 88: 281-291
98. Srikanth S, Jung HJ, Kim KD, Souda P, Whitelegge J, Gwack y (2010)
A novel EF-hand protein, CRACR2A, is a cytosolic Ca2+ sensor that
78. Darbellay B, Arnaudeau S, Ceroni D, Bader CR, Konig S, Bernheim L
(2010) Human muscle economy myoblast differentiation and excita- stabilizes CRAC channels in T cells. Nat Cell Biol 12: 436-446
tion-contraction coupling use the same molecular partners, STIM1 and
99. Palty R, Raveh A, Kaminsky I, Meller R, Reuveny E (2012) SARAF in-
STIM2. J Biol Chem 285: 22437-22447
activates the store operated calcium entry machinery to prevent excess
79. Schuhmann MK, Stegner D, Berna-Erro A, Bittner S, Braun A, Klein- calcium refilling. Cell 149: 425-438
schnitz C, Stoll G, Wiendl H, Meuth SG, Nieswandt B (2010) Stromal
100. Manjarrés IM, Rodríguez-García A, Alonso MT, García-Sancho J
interaction molecules 1 and 2 are key regulators of autoreactive T cell
(2010) The sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ ATPase (SERCA) is the
activation in murine autoimmune central nervous system inflamma-
third element in capacitative calcium entry. Cell Calcium 47: 412-418
tion. J Immunol 184: 1536-1542
101. Manjarrés IM, Alonso MT, García-Sancho J (2011) Calcium entry-cal-
80. Shaw PJ, Feske S (2012) Regulation of lymphocyte function by ORAI
cium refilling (CECR) coupling between store-operated Ca2+ entry and
and STIM proteins in infection and autoimmunity. J Physiol 590: 4157-
sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase. Cell Calcium 49: 153-161
4167
102. Makowska A, Zabłocki K, Duszyński J (2000) The role of mitochon-
81. Ercan E, Momburg F, Engel U, Temmerman K, Nickel W, Seedorf M
dria in the regulation of calcium influx into Jurkat cells. Eur J Biochem
(2009) A conserved, lipid-mediated sorting mechanism of yeast Ist2
267: 877-884
and mammalian STIM proteins to the peripheral ER. Traffic 10: 1802-
103. Glitsch MD, Bakowski D, Parekh AB (2002) Store-operated Ca2+ entry
1818
depends on mitochondrial Ca2+ uptake. EMBO J 21: 6744-6754
82. Bojarski L, Pomorski P, Szybinska A, Drab M, Skibinska-Kijek A,
104. Naghdi S, Waldeck-Weiermair M, Fertschai I, Poteser M, Graier WF,
Gruszczynska-Biegala J, Kuznicki J (2009) Presenilin-dependent
Malli R (2010) Mitochondrial Ca2+ uptake and not mitochondrial moti-
expression of STIM proteins and dysregulation of capacitative Ca2+
lity is required for STIM1-Orai1-dependent store-operated Ca2+ entry.
entry in familial Alzheimer s disease. Biochim Biophys Acta 1793:
J Cell Sci 123: 2553-2564
1050-1057
105. Graier WF, Frieden M, Malli R (2007) Mitochondria and Ca2+ signa-
83. Lewis RS (2007) The molecular choreography of a store-operated cal-
ling: old guests, new functions. Pflügers Archiv  Eur J Physiol 455:
cium channel. Nature 446: 284-287
375-396
Postępy Biochemii 58 (4) 2012 463
106. Alonso MT, Manjarrés IM, García-Sancho J (2012) Privileged co- immunodeficiencies: 2009 update. J Allergy Clin Immunol 124: 1161-
upling between Ca2+ entry through plasma membrane store-operated 1178
Ca2+ channels and the endoplasmic reticulum Ca2+ pump. Mol Cell
111. Matza D, Flavell RA (2009) Roles of Cav channels and AHNAK1 in T
Endocrinol 353: 37-44
cells: the beauty and the beast. Immunol Rev 231: 257-264
107. Szczepanowska J, Zabłocki K, Duszyński J (2004) Influence of a mito-
112. Baba y, Nishida K, Fuji y, Hirano T, Hikida M, Kurosaki T (2008)
chondrial genetic defects on capacitative calcium entry and mitochon-
Essentialfunction for the calcium sensor STIM1 un mast cell activation
drial organization in the osteosarcoma cells. FEBS Lett 578: 316-322
and anaphylactic responses. Nat Immunol 9: 81-88
108. Edwards JN, Friedrich O, Cully TR, von Wegner F, Murphy RM, Lau-
113. Vig M, Dehaven WI, Bird GS, Billingsley JM, Wang H, Rao PE, Hut-
nikonis BS (2010) Upregulation of store-operated Ca2+ entry in dystro-
chings AB, Jouvin MH, Putney JW, Kinet JP (2008) Defective mast cell
phic mdx mouse muscle. Am J Physiol Cell Physiol 299: 42-50
effector functions in mice lacking the CRACM1 pore subunit of store-
109. Fischer A (2007) Human primary immunodeficiency diseases. Im- -operated calcium release-activated calcium channels. Nat Immunol
munity 27: 835-845 9: 89-96
110. Notarangelo LD, Fischer A, Geha RS, Casanova JL, Chapel H, Conley 114. Berridge MJ, Lipp P, Bootman MD (2000) The versatility and univer-
ME, Cunningham-Rundles C, Etzioni A, Hammartrom L, Nonoyama sality of calcium signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 1: 11-21
S, Ochs HD, Puck J, Roifman C, Seger R, Wedgwood J (2009) Primary
Store-operated calcium entry  are all elements
of the system already identified?
Joanna Bandorowicz-Pikuła, Krzysztof Zabłocki*
Department of Biochemistry, Nencki Institute of Experimental Biology, 3 Pasteur Str., 02-093 Warsaw, Poland
*
e-mail: [e-mail]
Key words: store-operated Ca2+ entry (SOCE), CRAC, Orai1, STIM, calcium ions
ABSTRACT
Store-operated Ca2+ entry (SOCE) is an ubiquitous mechanism leading to a transient increase of Ca2+ concentration in the cytoplasm ([Ca2+]c)
of a leaving cell followed by refill of the internal stores with calcium. Discovery of STIM1 and STIM2 proteins located in the endoplasmic
reticulum (ER) and playing a role of sensors of calcium, led to our understanding how the calcium signal from ER is propagated to calcium
release-activated calcium channels (CRAC) located in the plasma membrane, resulting in their activation, flow of calcium into a cytoplasm
and activation of calcium-dependent signaling. In light of controversies existing in identification of CRAC channels (such as Orai, TRPC
and others), as well as identification of mechanisms of calcium entry that are independent of the presence of calcium in the internal calcium
stores, in this review we discuss the newest theories about SOCE, proteins that are engaged in this mechanism as well as pathologies related
to impaired SOCE.
464 www.postepybiochemii.pl