Ryanodine receptor (RyR) is one of the two major $Ca^{2+}$ channels in membranes of intracellular $Ca^{2+}$ stores and is found in sarcoplasmic reticulum (SR), endoplasmic reticulum (ER). RyR1 is also the major calmodulin-binding protein of sarcoplasmic reticulum membranes. Residues 4064-4210 in the RyR1 polypeptide chain has similar primary sequence with calmodulin (CaM) and was designated as CaM-like domain (CaMLD). When expressed as a recombinant peptide, CaMLD showed several CaM-like properties in previous studies. Still, previous studies of CaMLD were focused on protein-protein interactions rather than its own properties. Here, we studied the expression of CaMLD and its sub-domains corresponding to each lobe of CaM in Escherichia coli. CaMLD could be obtained only as inclusion body, and it was refolded using urea solubilization followed by dialysis. Using spectroscopic approaches, such as NMR, circular dichroism, and gel filtration experiment, we found that the refolded CaMLD exists as nonspecific aggregate, even though it has alpha helical secondary structure. In comparison, the first half of CaMLD (R4061-4141) could be obtained as natively soluble protein with thioredoxin fusion. After the removal of the fusion tag, it exhibited folded and helical properties as shown by NMR and circular dichroism experiments. Its oligomeric status was different from CaMLD, existing as dimeric form in solution. However, the second half of the protein could not be obtained as soluble protein regardless of fusion tag. Based on these results, we believe that CaMLD, although similar to CaM in sequence, has quite different physicochemical properties and that the second half of the protein renders it the aggregative properties.
Polycystic kidney disease 2-like-1 (PKD2L1), also known as polycystin-L or TRPP3, is a non-selective cation channel that regulates intracellular calcium concentration. Calmodulin (CaM) is a calcium binding protein, consisting of N-lobe and C-lobe with two calcium binding EF-hands in each lobe. In previous study, we confirmed that CaM is associated with desensitization of PKD2L1 and that CaM N-lobe and PKD2L1 EF-hand specifically are involved. However, the CaM-binding domain (CaMBD) and its inhibitory mechanism of PKD2L1 have not been identified. In order to identify CaM-binding anchor residue of PKD2L1, single mutants of putative CaMBD and EF-hand deletion mutants were generated. The current changes of the mutants were recorded with whole-cell patch clamp. The calmidazolium (CMZ), a calmodulin inhibitor, was used under different concentrations of intracellular. Among the mutants that showed similar or higher basal currents with that of the PKD2L1 wild type, L593A showed little change in current induced by CMZ. Co-expression of L593A with CaM attenuated the inhibitory effect of PKD2L1 by CaM. In the previous study it was inferred that CaM C-lobe inhibits channels by binding to PKD2L1 at 16 nM calcium concentration and CaM N-lobe at 100 nM. Based on the results at 16 nM calcium concentration condition, this study suggests that CaM C-lobe binds to Leu-593, which can be a CaM C-lobe anchor residue, to regulate channel activity. Taken together, our results provide a model for the regulation of PKD2L1 channel activity by CaM.
Molecular and functional characterization of proteins and their levels is of great interest in understanding the mechanism of diverse cellular processes. In this study, we report on the convenient Escherichia coli-based protein expression system that allows recombinant of soluble proteins expression and cytosolic domain of membrane-localised kinases, followed by the detection of autophosphorylation activity in protein kinases. This approach is applied to regulatory proteins of Arabidopsis thaliana, including 14-3-3, calmodulin, calcium-dependent protein kinase, TERMINAL FLOWER 1(TFL1), FLOWERING LOCUS T (FT), receptor-like cytoplasmic kinase and cytoplasmic domain of leucine-rich repeat-receptor like kinase proteins. Our Western blot analysis which uses phospho-specific antibodies showed that five putative LRR-RLKs and two putative RLCKs have autophosphorylation activity in vitro on threonine and/or tyrosine residue(s), suggesting their potential role in signal transduction pathways. Our findings were also discussed in the broader context of recombinant expression and biochemical analysis of soluble and membrane-localised receptor kinases in microbial systems.
Park, Eunice Yon June;Baik, Julia Young;Kwak, Misun;So, Insuk
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.23
no.3
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pp.219-227
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2019
Polycystic kidney disease 2-like-1 (PKD2L1), polycystin-L or transient receptor potential polycystin 3 (TRPP3) is a TRP superfamily member. It is a calcium-permeable non-selective cation channel that regulates intracellular calcium concentration and thereby calcium signaling. Although the calmodulin (CaM) inhibitor, calmidazolium, is an activator of the PKD2L1 channel, the activating mechanism remains unclear. The purpose of this study is to clarify whether CaM takes part in the regulation of the PKD2L1 channel, and if so, how. With patch clamp techniques, we observed the current amplitudes of PKD2L1 significantly reduced when co-expressed with CaM and $CaM{\triangle}N$. This result suggests that the N-lobe of CaM carries a more crucial role in regulating PKD2L1 and guides us into our next question on the different functions of two lobes of CaM. We also identified the predicted CaM binding site, and generated deletion and truncation mutants. The mutants showed significant reduction in currents losing PKD2L1 current-voltage curve, suggesting that the C-terminal region from 590 to 600 is crucial for maintaining the functionality of the PKD2L1 channel. With PKD2L1608Stop mutant showing increased current amplitudes, we further examined the functional importance of EF-hand domain. Along with co-expression of CaM, ${\triangle}EF$-hand mutant also showed significant changes in current amplitudes and potentiation time. Our findings suggest that there is a constitutive inhibition of EF-hand and binding of CaM C-lobe on the channel in low calcium concentration. At higher calcium concentration, calcium ions occupy the N-lobe as well as the EF-hand domain, allowing the two to compete to bind to the channel.
A novel calcium-dependent protein kinase gene (designated as IiCPK2) was cloned from tetraploid Isatis indigotica. The full-length cDNA of IiCPK2 was 2585 bp long with an open reading frame (ORF) of 1878 bp encoding a polypeptide of 625 amino acid residues. The predicted IiCPK2 polypeptide included three domains: a kinase domain, a junction domain (or autoinhibitory region), and a C-terminal calmodulin-like domain (or calcium-binding domain), which presented a typical structure of plant CDPKs. Further analysis of IiCPK2 genomic DNA revealed that it contained 7 exons, 6 introns and the length of most exons was highly conserved. Semi-quantitative RT-PCR revealed that the expression of IiCPK2 in root, stem and leaf were much higher in tetraploid sample than that in diploid progenitor. Further expression analysis revealed that gibberellin ($GA_3$), NaCl and cold treatments could up-regulate the IiCPK2 transcription. All our findings suggest that IiCPK2 might participate in the cold, high salinity and GA3 responsive pathways.
Multiple epiphyseal dysplasia (MED) is a clinically and genetically heterogeneous chondroplasia, characterized by delayed development of the ossification centers and, deformities of the extremities that involve only the epiphysis and result in mild short stature. Mutations in the cartilage oligomeric matrix protein (COMP) gene are most commonly found, and most of the mutations are located in the calmodulin-like repeats and the C-terminal domain. We report a Korean kindred of 12 family members with MED in four generations who were found to have a novel mutation in the COMP gene. A pedigree showed early onset osteoarthritis requiring arthroplasty that was an autosomal dominant inherited trait. Radiological examinations demonstrated the presence of osteochondral defects in the medial femoral condyles, and the knee and hip joints showed variable degrees of precocious degenerative changes. Mutation analysis of the COMP gene in the proband and five other affected family members identified a novel missense mutation, c.1280G>C (p.Gly427Ala) in exon 12, which was not found in three unaffected family members. Direct sequencing of the COMP gene may yield pathogenic mutations in dominantly inherited MED cases, and may provide opportunities of carrier detection among high-risk family members, leading to genetic counseling for early diagnosis and intervention before the onset of complications.
Transient receptor potential ankyrin 1 from rattlesnakes (rsTRPA1) and boas (bTRPA1) was previously proposed to underlie thermo-sensitive infrared sensing based on transcript enrichment in infrared-sensing neurons and hyper-thermosensitivity expressed in Xenopus oocytes. It is unknown how these TRPA1s show thermosensitivities that overwhelm other thermoreceptors, and why rsTRPA1 is more thermosensitive than bTRPA1. Here, we show that snake TRPA1s differentially require Ca2+ for hyper-thermosensitivity and that predisposition to cytosolic Ca2+ potentiation correlates with superior thermosensitivity. Extracellularly applied Ca2+ upshifted the temperature coefficients (Q10s) of both TRPA1s, for which rsTRPA1, but not bTRPA1, requires cytosolic Ca2+. Intracellular Ca2+ chelation and substitutive mutations of the conserved cytosolic Ca2+-binding domain lowered rsTRPA1 thermosensitivity comparable to that of bTRPA1. Thapsigargin-evoked Ca2+ or calmodulin little affected rsTRPA1 activity or thermosensitivity, implying the importance of precise spatiotemporal action of Ca2+. Remarkably, a single rattlesnake-mimicking substitution in the conserved but presumably dormant cytosolic Ca2+-binding domain of bTRPA1 substantially enhanced thermosensitivity through cytosolic Ca2+ like rsTRPA1, indicating the capability of this single site in the determination of both cytosolic Ca2+ dependence and thermosensitivity. Collectively, these data suggest that Ca2+ is essential for the hyper-thermosensitivity of these TRPA1s, and cytosolic potentiation by permeating Ca2+ may contribute to the natural variation of infrared senses between rattlesnakes and boas.
A family of calcium-dependent protein kinases (CDPKs) is a unique enzyme which plays crucial roles in intracellular calcium signaling in plants, algae, and protozoa. CDPKs of malaria parasites are known to be key regulators for stage-specific cellular responses to calcium, a widespread secondary messenger that controls the progression of the parasite. In our study, we identified a gene encoding Plasmodium vivax CDPK4 (PvCDPK4) and characterized its molecular property and cellular localization. PvCDPK4 was a typical CDPK which had well-conserved N-terminal kinase domain and C-terminal calmodulin-like structure with 4-EF hand motifs for calcium-binding. The recombinant protein of EF hand domain of PvCDPK4 was expressed in Echerichia coli and a 34 kDa product was obtained. Immunofluorescence assay by confocal laser microscopy revealed that the protein was expressed at the mature schizont of P. vivax. The expression of PvCDPK4-EF in schizont suggests that it may participate in the proliferation or egress process in the life cycle of this parasite.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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