Simultaneous Monitoring of Cytosolic and Reticular Ca2+ Indicates Heterogeneity of Ca2+ Store

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Transduction of many agonists involves mobilization of intracellular Ca2+. The dynamics and shape of intracellular Ca2+ signals are determined by Ca2+ fluxes across the plasma membrane and membranes of intracellular organelles, primarily the endoplasmic reticulum (ER). Although traditionally, intracellular Ca2+ signaling has been studied using chemical fluorescent Ca2+ probes, the advent of genetically encoded Ca2+ sensors with different intracellular localizations has significantly expanded the instrumental capabilities. In the present work, synchronous monitoring of cytosolic Ca2+ in HEK-293 cells using Fluo-8 and of reticular Ca2+ using the genetically encoded ER-localized Ca2+ sensor R-CEPIA1er was performed. Upon stepwise stimulation of cells with acetylcholine (ACh), a coordinated increase in cytosolic Ca2+ and a decrease in ER Ca2+ were observed in the front phase of the Ca2+ response, the relaxation of which was often accompanied by superimposed oscillations. A greater detailing of the correlated behavior of the cytosolic Ca2+ (C) and reticular Ca2+ (Cs) concentrations could be provided by representing cellular responses in the phase plane (Cs, C). Since Cs and C are not measurable directly but evaluated through Ca2+-dependent fluorescence of Ca2+ probes, the experimental data were presented in the (Fs, Fc) plane, where Fs and Fc are ΔF/F0 for R-CEPIA1er and Fluo-8, respectively. Qualitatively, this is equivalent to the presentation of data in the (Cs, C) plane. The phase trajectories indicated that Ca2+ responses to ACh could not be generated solely by Ca2+ exchange between the homogeneous Ca2+ store and the cytosol, since in approximately 30% of cases the phase trajectory contained a loop, wherein a simultaneous increase in Cs and C took place. The loop was observed in a calcium-free medium with negligible Ca2+ influx into the cell, indicating the involvement of an intracellular Ca2+ source that was not accessible to monitoring by R-CEPIA1er or did not significantly contribute to its fluorescence. The inhibitory analysis showed that the suggested source was not acidic endosomes and lysosomes containing two-pore channels, the Golgi apparatus, and vesicles loaded with Ca2+ by SPCA-type ATPase, organelles releasing Ca2+ through ryanodine receptors, and/or mitochondria releasing Ca2+ into the cytosol through the Na+/Ca2+ exchanger. The results obtained pointed out that a system mediating agonist-induced Ca2+ signals is more complex than one in the paradigm with one homogeneous pool of stored Ca2+.

About the authors

V. V. Sokolov

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, 142290 Russia

N. P. Kaimachnikov

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: nkai@mail.ru
Pushchino, 142290 Russia

O. A. Rogachevskaya

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, 142290 Russia

N. V. Kabanova

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, 142290 Russia

S. S. Kolesnikov

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, 142290 Russia

References

  1. Berridge M.J. 2016. The inositol trisphosphate/calcium signaling pathway in health and disease. Physiol. Rev. 96, 1261–1296. https://doi.org/10.1152/physrev.00006.2016
  2. Mikoshiba K. 2015. Role of IP3 receptor signaling in cell functions and diseases. Adv. Biol. Regul. 57, 217–227. https://doi.org/10.1016/j.jbior.2014.10.001
  3. Prole D.L., Taylor C.W. 2019. Structure and function of IP3 receptors. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 11, a035063. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a035063
  4. Hamada K., Mikoshiba K. 2020. IP3 receptor plasticity underlying diverse functions. Annu. Rev. Physiol. 82, 151–176. https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-021119-034433
  5. Mak D.O., Foskett J.K. 2015. Inositol 1,4,5-trisphosphate receptors in the endoplasmic reticulum: A single-channel point of view. Cell Calcium 58, 67–78. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2014.12.008
  6. Smith H.A., Thillaiappan N.B., Rossi A.M. 2023. IP3 receptors: An “elementary” journey from structure to signals. Cell Calcium 113, 102761. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2023.102761
  7. Zampese E., Pizzo P. 2012. Intracellular organelles in the saga of Ca2+ homeostasis: Different molecules for different purposes? Cell. Mol. Life Sci. 69, 1077–1104. https://doi.org/10.1007/s00018-011-0845-9
  8. Berridge M.J., Bootman M.D., Roderick H.L. 2003. Calcium signalling: Dynamics, homeostasis and remodelling. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 4, 517–529. https://doi.org/10.1038/nrm1155
  9. Carreras-Sureda A., Pihan P., Hetz C. 2018. Calcium signaling at the endoplasmic reticulum: Fine-tuning stress responses. Cell Calcium 70, 24–31. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2017.08.004
  10. Kochkina E.N., Kopylova E.E., Rogachevskaja O.A., Kovalenko N.P., Kabanova N.V., Kotova P.D., Bystrova M.F., Kolesnikov S.S. 2024. Agonist-induced Ca2+ signaling in HEK-293-derived cells expressing a single IP3 receptor isoform. Cells. 13, 562. https://doi.org/10.3390/cells13070562
  11. Mogami H., Tepikin A.V., Petersen O.H. 1998. Termination of cytosolic Ca2+ signals: Ca2+ reuptake into intracellular stores is regulated by the free Ca2+ concentration in the store lumen. EMBO J. 17, 435–442. https://doi.org/10.1093/emboj/17.2.435
  12. Wang Q.C., Zheng Q., Tan H., Zhang B., Li X., Yang Y., Yu J., Liu Y., Chai H., Wang X., Sun Z., Wang J.Q., Zhu S., Wang F., Yang M., Guo C., Wang H., Zheng Q., Li Y., Chen Q., Zhou A., Tang T.S. 2016. TMCO1 is an ER Ca2+ load-activated Ca2+ channel. Cell, 165, 1454–1466. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.04.051
  13. Vais H., Wang M., Mallilankaraman K., Payne R., McKennan C., Lock J.T., Spruce L.A., Fiest C., Chan M.Y., Parker I., Seeholzer S.H., Foskett J.K., Mak D.-O.D. 2020. ER-luminal [Ca2+] regulation of InsP3 receptor gating mediated by an ER-luminal peripheral Ca2+-binding protein. Elife 9, e53531. https://doi.org/10.7554/eLife.53531
  14. Kodakandla G., Akimzhanov A.M., Boehning D. 2023. Regulatory mechanisms controlling store-operated calcium entry. Front. Physiol. 14, 1330259. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1330259
  15. Suzuki J., Kanemaru K., Ishii, K., Ohkura M., Okubo Y., Iino M. 2014. Imaging intraorganellar Ca2+ at subcellular resolution using CEPIA. Nat. Commun. 5, 4153. https://doi.org/10.1038/ncomms5153
  16. Kaimachnikov N.P., Kotova, P.D., Kochkina E.N., Rogachevskaja O.A., Khokhlov A.A., Bystrova, M.F., Kolesnikov S.S. 2021. Modeling of Ca2+ transients initiated by GPCR agonists in mesenchymal stromal cells. BBA Adv. 1, 100012. https://doi.org/10.1016/j.bbadva.2021.100012
  17. Berridge M.J. 2002. The endoplasmic reticulum: A multifunctional signaling organelle. Cell Calcium 32, 235–249. https://doi.org/10.1016/s0143416002001823
  18. Lam A.K., Galione A. 2013. The endoplasmic reticulum and junctional membrane communication during calcium signaling. Biochim. Biophys. Acta 1833, 2542–2559. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2013.06.004
  19. Galione A., Davis L.C., Martucci L.L., Morgan A.J. 2023. NAADP-mediated Ca2+ signalling. Handb. Exp. Pharmacol. 278, 3-34. https://doi.org/10.1007/164_2022_607
  20. Котова П.Д., Рогачевская О.А. 2020. Клеточная тест-система с генетически кодируемыми сенсорами цитоплазматического и ретикулярного кальция. Биол. мембраны. 37, 373–380. https://doi.org/10.31857/S0233475520050072
  21. Туровский Е.А., Каймачников Н.П., Туровская М.В., Бережнов А.В., Дынник В.В., Зинченко В.П. 2011. Два механизма кальциевых колебаний в адипоцитах. Биол. мембраны. 28, 463–472. https://doi.org/10.1134/S199074781106016X
  22. Luo D., Broad L.M., Bird G.S., Putney J.W. Jr. 2001. Signaling pathways underlying muscarinic receptor-induced [Ca2+]i oscillations in HEK293 cells. J. Biol. Chem. 276, 5613–5621. https://doi.org/10.1074/jbc.M007524200
  23. Jing X., Chen L., Ren S., Luo D. 2011. Rational method in the repetitive calcium oscillation measurement in wild type human epithelial kidney cells. Cytotechnology. 63, 81–88. https://doi.org/10.1007/s10616-010-9332-7
  24. Bird G.S., Putney J.W. Jr. 2005. Capacitative calcium entry supports calcium oscillations in human embryonic kidney cells. J. Physiol. 562, 697–706. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2004.077289
  25. Kotova, P.D.; Bystrova, M.F.; Rogachevskaja, O.A.; Khokhlov, A.A.; Sysoeva, V.Y.; Tkachuk, V.A.; Kolesnikov, S.S. 2018. Coupling of P2Y receptors to Ca2+ mobilization in mesenchymal stromal cells from the human adipose tissue. Cell Calcium, 71, 1–14. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2017.11.001
  26. Андронов А.А., Леонтович Е.А., Гордон И.И., Майер А.Г. Качественная теория динамических систем второго порядка. 1966. М.: Наука. 568 c.
  27. Yang J., Zhao Z., Gu M., Feng X., Xu H. 2019. Release and uptake mechanisms of vesicular Ca2+ stores. Protein Cell 10, 8–19. https://doi.org/10.1007/s13238-018-0523-x
  28. Wong A.K., Capitanio P., Lissandron V., Bortolozzi M., Pozzan T., Pizzo P. 2013. Heterogeneity of Ca2+ handling among and within Golgi compartments. J. Mol. Cell Biol. 5, 266–276. https://doi.org/10.1093/jmcb/mjt024
  29. Li J., Wang Y. 2022. Golgi metal ion homeostasis in human health and diseases. Cells. 11, 289. https://doi.org/10.3390/cells11020289
  30. Pizzo P., Lissandron V., Capitanio P., Pozzan T. 2011. Ca2+ signalling in the Golgi apparatus. Cell Calcium 50, 184–192. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2011.01.006
  31. Lai P., Michelangeli F. 2012. Bis(2-hydroxy-3-tert-butyl-5-methyl-phenyl)-methane (bis-phenol) is a potent and selective inhibitor of the secretory pathway Ca²+ ATPase (SPCA1). Biochem. Biophys. Res. Commun. 424, 616–619. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2012.07.004
  32. Martucci L.L., Cancela J.M. 2022. Neurophysiological functions and pharmacological tools of acidic and non-acidic Ca2+ stores. Cell Calcium 104, 102582. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2022.102582
  33. Zhu M.X., Ma J., Parrington J., Calcraft P.J., Galione A., Evans A.M. 2010. Calcium signaling via two-pore channels: Local or global, that is the question. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 298, C430–C441. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00475.2009
  34. Morgan A.J., Platt F.M., Lloyd-Evans E., Galione A. 2011. Molecular mechanisms of endolysosomal Ca2+ signalling in health and disease. Biochem. J. 439, 349–374. https://doi.org/10.1042/BJ20110949
  35. Naylor E., Arredouani A., Vasudevan S.R., Lewis A.M., Parkesh R., Mizote A., Rosen D., Thomas J.M., Izumi M., Ganesan A., Galione A., Churchill G.C. 2009. Identification of a chemical probe for NAADP by virtual screening. Nat. Chem. Biol. 5, 220–226. https://doi.org/10.1038/nchembio.150
  36. Chalmers S., Nicholls D.G. 2003. The relationship between free and total calcium concentrations in the matrix of liver and brain mitochondria. J. Biol. Chem. 278, 19062–19070. https://doi.org/10.1074/jbc.M212661200
  37. Cox D.A., Conforti L., Sperelakis N., Matlib M.A. 1993. Selectivity of inhibition of Na+-Ca2+ exchange of heart mitochondria by benzothiazepine CGP-37157. J. Cardiovasc. Pharmacol. 21, 595–599. https://doi.org/10.1097/00005344-199304000-00013
  38. Ishii K., Hirose K., Iino M. 2006. Ca2+ shuttling between endoplasmic reticulum and mitochondria underlying Ca2+ oscillations. EMBO Rep. 7, 390–396. https://doi.org/10.1038/sj.embor.7400620
  39. Konieczny V., Tovey S.C., Mataragka S., Prole D.L., Taylor C.W. 2017. Cyclic AMP recruits a discrete intracellular Ca2+ store by unmasking hypersensitive IP3 receptors. Cell Rep. 18, 711–722. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2016.12.058
  40. Pick T., Gamayun I., Tinschert R., Cavalié A. 2023. Kinetics of the thapsigargin-induced Ca2+ mobilisation: A quantitative analysis in the HEK-293 cell line. Front. Physiol. 14, 1127545. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1127545

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».