STIM1 deficiency is linked to Alzheimer’s disease and triggers cell death in SH-SY5Y cells by upregulation of L-type voltage-operated Ca2+ entry

Abstract

La STIM1 es una proteína del retículo endoplásmico con un papel en la movilización y señalización del Ca2+. Como sensor de los niveles intraluminales de Ca2+, STIM1 modula los canales de Ca2+ de la membrana plasmática para regular la entrada de Ca2+. En las células de neuroblastoma SH-SY5Y y en los fibroblastos cutáneos familiares de pacientes con la enfermedad de Alzheimer, STIM1 se divide en el dominio transmembrana por la presenilina-1-asociada a γ-secretase, lo que lleva a una desregulación de la homeostasis del Ca2+. En este informe, investigamos los niveles de expresión de STIM1 en los tejidos cerebrales (giro frontal medio) de pacientes con enfermedad de Alzheimer confirmada patológicamente, y observamos que el nivel de expresión de la proteína STIM1 disminuyó con la progresión de la neurodegeneración. Para estudiar el papel de STIM1 en la neurodegeneración, se diseñó una estrategia para eliminar la expresión del gen STIM1 en la línea de células de neuroblastoma SH-SY5Y mediante la edición del genoma mediado por CRISPR/Cas9, como un modelo in vitro para examinar el fenotipo de las células neuronales deficientes de STIM1. Se demostró que, si bien la STIM1 no es necesaria para la diferenciación de las células SH-SY5Y, es absolutamente esencial para la supervivencia de las células en la diferenciación. Las células STIM1-KO diferenciadas mostraron una disminución significativa de la actividad del complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial, la despolarización de la membrana interna de la mitocondria, la reducción de la concentración de Ca2+ libre en la mitocondria y mayores niveles de senescencia en comparación con las células de tipo salvaje. En paralelo, las células STIM1-KO mostraron una entrada de Ca2+ potenciada en respuesta a la despolarización, que era sensible a la nifedipina, apuntando a los canales de Ca2+ operados por voltaje de tipo L como mediadores de la entrada de Ca2+ aumentada. El derribo estable de las transcripciones de CACNA1C restauró la función mitocondrial, aumentó los niveles mitocondriales de Ca2+ y redujo la senescencia a los niveles basales, demostrando el papel esencial de la regulación de la entrada de Ca2+ operada por voltaje a través de los canales Cav1.2 en la muerte celular deficiente de STIM1 SHSY5Y.

STIM1 is an endoplasmic reticulum protein with a role in Ca2+ mobilization and signaling. As a sensor of intraluminal Ca2+ levels, STIM1 modulates plasma membrane Ca2+ channels to regulate Ca2+ entry. In neuroblastoma SH-SY5Y cells and in familial Alzheimer’s disease patient skin fibroblasts, STIM1 is cleaved at the transmembrane domain by the presenilin-1-associated γ-secretase, leading to dysregulation of Ca2+ homeostasis. In this report, we investigated expression levels of STIM1 in brain tissues (medium frontal gyrus) of pathologically confirmed Alzheimer’s disease patients, and observed that STIM1 protein expression level decreased with the progression of neurodegeneration. To study the role of STIM1 in neurodegeneration, a strategy was designed to knock-out the expression of STIM1 gene in the SH-SY5Y neuroblastoma cell line by CRISPR/Cas9-mediated genome editing, as an in vitro model to examine the phenotype of STIM1-deficient neuronal cells. It was proved that, while STIM1 is not required for the differentiation of SH-SY5Y cells, it is absolutely essential for cell survival in differentiating cells. Differentiated STIM1-KO cells showed a significant decrease of mitochondrial respiratory chain complex I activity, mitochondrial inner membrane depolarization, reduced mitochondrial free Ca2+ concentration, and higher levels of senescence as compared with wild-type cells. In parallel, STIM1-KO cells showed a potentiated Ca2+ entry in response to depolarization, which was sensitive to nifedipine, pointing to L-type voltage-operated Ca2+ channels as mediators of the upregulated Ca2+ entry. The stable knocking-down of CACNA1C transcripts restored mitocondrial function, increased mitochondrial Ca2+ levels, and dropped senescence to basal levels, emonstrating the essential role of the upregulation of voltage-operated Ca2+ entry through Cav1.2 channels in STIM1-deficient SHSY5Y cell death.