Thapsigargin, a tumor-promoting sesquiterpene lactone, discharges intracellular Ca2+ in rat hepatocytes, as it does in many vertebrate cell types. It appears to act intracellularly, as incubation of isolated rat liver microsomes with thapsigargin induces a rapid, dose-dependent release of stored Ca2+. The thapsigargin-releasable pool of microsomal Ca2+ includes the pools sensitive to inositol 1,4,5-trisphosphate and GTP. Thapsigargin pretreatment of microsomes blocks subsequent loading with 45Ca2+, suggesting that its target is the ATP-dependent Ca2+ pump of endoplasmic reticulum. This hypothesis is strongly supported by the demonstration that thapsigargin causes a rapid inhibition of the Ca2(+)-activated ATPase activity of rat liver microsomes, with an identical dose dependence to that seen in whole cell or isolated microsome Ca2+ discharge. The inhibition of the endoplasmic reticulum isoform of the Ca2(+)-ATPase is highly selective, as thapsigargin has little or no effect on the Ca2(+)-ATPases of hepatocyte or erythrocyte plasma membrane or of cardiac or skeletal muscle sarcoplasmic reticulum. These results suggest that thapsigargin increases the concentration of cytosolic free Ca2+ in sensitive cells by an acute and highly specific arrest of the endoplasmic reticulum Ca2+ pump, followed by a rapid Ca2+ leak from at least two pharmacologically distinct Ca2+ stores. The implications of this mechanism of action for the application of thapsigargin in the analysis of Ca2+ homeostasis and possible forms of Ca2+ control are discussed.

1. The effect of Li+ on the agonist-dependent metabolism of [3H]inositol has been studied in rat brain, rat parotid and the insect salivary gland. 2. When brain or parotid slices were incubated in the presence of [3H]inositol, Li+ was found to amplify the ability of agonists such as carbachol, phenylephrine, histamine, 5-hydroxytryptamine and Substance P to elevate the amount of label appearing in the inositol phosphates. 3. A different approach was used with the insect salivary gland, which was prelabelled with [3H]inositol. After washing out the label, the subsequent release of [3H]inositol induced by 5-hydroxytryptamine was greatly decreased by Li+. During Li+ treatment there was a large accumulation of [3H]inositol 1-phosphate. 4. This ability of Li+ to greatly amplify the agonist-dependent accumulation of myo-inositol 1-phosphate offers a novel technique for identifying those receptors that function by hydrolysing phosphatidylinositol. 5. The therapeutic action of Li+ may be explained by this inhibition of myo-inositol 1-phosphatase, which lowers the level of myo-inositol and could lead to a decrease in the concentration of phosphatidylinositol, especially in those neurons that are being stimulated excessively. This alteration in phosphatidylinositol metabolism may serve to reset the sensitivity of those multifunctional receptors that generate second messengers such as Ca2+, cyclic GMP and the prostaglandins.

The role of ATP-dependent calcium uptake into intracellular storage compartments is an essential feature of hormonally induced calcium signaling. Thapsigargin, a non-phorboid tumor promoter, increasingly is being used to manipulate calcium stores because it induces a hormone-like elevation of cytosolic calcium. It has been suggested that thapsigargin acts through inhibition of the endoplasmic reticulum calcium pump. We have directly tested the specificity of thapsigargin on all of the known intracellular-type calcium pumps (referred to as the sarcoplasmic or endoplasmic reticulum Ca-ATPase family (SERCA]. Full-length cDNA clones encoding SERCA1, SERCA2a, SERCA2b, and SERCA3 enzymes were expressed in COS cells, and both calcium uptake and calcium-dependent ATPase activity were assayed in microsomes isolated from them. Thapsigargin inhibited all of the SERCA isozymes with equal potency. Furthermore, similar doses of thapsigargin abolished the calcium uptake and ATPase activity of sarcoplasmic reticulum isolated from fast twitch and cardiac muscle but had no influence on either the plasma membrane Ca-ATPase or Na,K-ATPase. The interaction of thapsigargin with the SERCA isoforms is rapid, stoichiometric, and essentially irreversible. These properties demonstrate that thapsigargin interacts with a recognition site found in, and only in, all members of the endoplasmic and sarcoplasmic reticulum calcium pump family.

Thapsigargin, a sesquiterpene lactone with potent irritant and tumour-promoting activities, stimulates a rapid (within 15 s) transient increase in intracellular [Ca2+] in the NG115-401L neural cell line, as measured by the fluorescent indicator dye fura-2. This increase in cytoplasmic free [Ca2+] is concentration-dependent (ED50 around 20 nM) and occurs in the absence of extracellular Ca2+. Activation of NG115-401L cells by the inflammatory peptide bradykinin generates inositol phosphates, which parallel increases in intracellular [Ca2+]. However, the rise in cytoplasmic [Ca2+] stimulated by thapsigargin occurs in the absence of detectable production of inositol phosphates. Thapsigargin is unlike phorboid tumour promoters in that it has no action on two non-invasive indicators of phorbol stimulation of these cells, i.e. [3H]choline metabolite production and rise in intracellular pH. These data suggest that thapsigargin releases Ca2+ from an intracellular store by a novel mechanism, independent of the hydrolysis of phosphoinositides and concomitant activation of protein kinase C. Thus thapsigargin may provide a valuable tool for the analysis of intracellular signalling mechanisms.