Membrane lipid regulation of calcium channels in sperm.

精子钙通道的膜脂调节。

• 批准号: 10591574
• 负责人: ALEXANDER J TRAVIS
• 金额: $ 38.66万
• 依托单位: CORNELL UNIVERSITY
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-03-15 至 2025-02-28
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10591574
• 关键词: Acrosome; Address; Apical; Artificial Membranes; Biochemistry; Biological; Biology; Blood Glucose; Calcium; Calcium Channel; Calcium Oscillations; CatSper; Cell Line; Cell membrane; Cell physiology; Cells; Cellular biology; Chimeric Proteins; Cholesterol; Data; Defect; Development; Diabetes Mellitus; Disease; Electrophysiology (science); Excision; Exocytosis; Female; Fertility; Fertilization; Ganglioside GM1; Genetic; Genetic Models; Health; Human; Image; Infertility; Insulin; Knockout Mice; Knowledge; Laboratories; Lead; Lipids; Male Infertility; Mediating; Medicine; Membrane; Membrane Fluidity; Membrane Fusion; Membrane Lipids; Membrane Potentials; Methods; Microscopy; Modeling; Molecular; Mouse Strains; Mus; Nature; Neurons; Pain; Pain management; Pancreas; Pathologic; Peripheral Nervous System Diseases; Pharmacology; Physiological; Physiology; Positioning Attribute; Process; Publications; Publishing; RNA Splicing; Regulation; Regulation of Exocytosis; Role; Seminal fluid; Series; Sialic Acids; Sterols; Structure of beta Cell of islet; System; Tail; Temperature; Testing; Variant; Xenopus oocyte; calcium indicator; diabetes management; empowerment; experimental study; extracellular; improved; innovation; insight; male fertility; mouse genetics; mouse model; new technology; novel; novel strategies; novel therapeutics; pain sensation; peripheral pain; pharmacologic; reproductive tract; response; sensor; spatiotemporal; sperm cell; sperm function; superresolution microscopy; tool; unilamellar vesicle; voltage; zygote

PROJECT SUMMARY  Voltage-­gated calcium channels (VGCC) regulate the function of cells ranging from sperm to insulin-­producing  pancreatic cells to neurons. There is growing recognition that specific lipids, sterols and the ganglioside GM1,  regulate VGCC activity in health and disease including during fertilization, regulation of blood sugar, and pain  sensation. However, determining mechanisms by which lipids regulate VGCC remains a major challenge in the  field. This proposal addresses two questions of broad importance to biology & medicine: At a molecular level,  how can membrane lipids regulate 1) VGCC activity and 2) cell function? Sperm are an outstanding model for  these issues, because their ability to fertilize an egg is well-­known to be regulated by lipid dynamics. However,  there is tremendous controversy regarding sperm calcium (Ca2+) channels, with electrophysiological recordings  (at room temperature) only identifying the activity of a single, non-­VGCC channel (CatSper). In contrast, data  from several groups using approaches of cell biology, genetics and pharmacology, show the activity of different  channels including VGCC. Of importance, we found that sterols and GM1 regulate sperm VGCC activity in ways  that typical electrophysiology practices can’t detect. This proposal represents a consortium of two laboratories,  one with expertise in sperm electrophysiology, who have pioneered new methods to be able to detect channels  regulated by lipids. The second laboratory was first to identify membrane lipid regulation of sperm VGCC, and  has expertise in membrane lipid organization and function. Together, we propose to use new technologies and  approaches to address this controversy, which is central to our understanding of sperm function & fertilization.  This knowledge will empower clinicians to better understand the causes of male infertility, half of which are due  to sperm function defects and are not detected by traditional semen analysis.  Based on exciting preliminary  data that clearly show evidence of more than one type of Ca2+ channel (using sperm from mice null for  CatSper), as well as publications from both laboratories, we propose a series of experiments to investigate  how lipids regulate mouse and human sperm VGCC and possibly other Ca2+ channels (Aim 1). These studies  will utilize state-­of-­the-­art microscopy, pharmacology, mouse genetic models and electrophysiology under  conditions that allow sperm membrane lipids to behave as they do in the female reproductive tract. We next  propose to determine the precise molecular mechanisms by which sterols and GM1 regulate VGCC (Aim 2). To  do this, we’ll express different VGCC subunits in specific cell lines, as well as artificial membrane systems, in  which we can control both channel expression and the lipid composition. In both Aims, we will utilize innovative  mouse strains either expressing genetically encoded Ca2+ indicators or lacking specific channel subunits.  Together, these studies will provide broad mechanistic insight into the regulation of VGCC by membrane lipids,  a matter of critical importance in both normal physiology as well as important disease states.

项目摘要 电压门控钙通道（VGCC）调节从精子到胰岛素分泌的细胞的功能 越来越多的人认识到，特定的脂质、甾醇和神经节苷脂GM 1， 在健康和疾病中调节VGCC活性，包括在受精期间，调节血糖和疼痛 然而，确定脂质调节VGCC的机制仍然是研究中的主要挑战。 该提案解决了对生物学和医学具有广泛重要性的两个问题：在分子水平上， 膜脂如何调节1）VGCC活性和2）细胞功能？ 精子是一个杰出的模型， 这些问题，因为众所周知，它们使卵子受精的能力是由脂质动力学调节的。然而， 关于精子钙离子通道的电生理记录存在着巨大的争议， (at室温）仅识别单个非VGCC通道（CatSper）的活动。相比之下，数据 使用细胞生物学、遗传学和药理学的方法，从几个小组中， 重要的是，我们发现固醇和GM1调节精子VGCC活性的方式， 这是典型的电生理学实践无法检测到的。这个提案代表了两个实验室的联盟， 一位是精子电生理学方面的专家，他开创了能够检测通道的新方法， 第二个实验室首先确定了精子VGCC的膜脂调节， 在膜脂组织和功能方面具有专业知识。我们共同建议使用新技术， 解决这一争议的方法，这是我们理解精子功能和受精的核心。 这些知识将使临床医生能够更好地了解男性不育的原因，其中一半是由于 精子功能缺陷，传统的精液分析检测不到。基于令人兴奋的初步研究， 这些数据清楚地显示了不止一种类型的Ca2+通道的证据（使用来自小鼠的精子， CatSper）以及两个实验室的出版物，我们提出了一系列实验来研究 脂质如何调节小鼠和人类精子VGCC和可能的其他Ca2+通道（目的1）。 将利用最先进的显微镜、药理学、小鼠遗传模型和电生理学， 这些条件允许精子膜脂质像在女性生殖道中一样发挥作用。 建议确定甾醇和GM1调节VGCC的精确分子机制（目的2）。 这样做，我们将在特定的细胞系中表达不同的VGCC亚基，以及人工膜系统， 我们可以控制通道表达和脂质组成。在这两个目标中，我们将利用创新的 表达遗传编码的Ca2+指示剂或缺乏特异性通道亚基的小鼠品系。 总之，这些研究将为膜脂质对VGCC的调节提供广泛的机制见解， 这在正常生理学和重要疾病状态中都是至关重要的。