Fibromodulin and chondroadherin in connective tissue homeostasis

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Syftet med studierna i denna avhandling har i huvudsak varit att förstå funktion för de två proteinerna fibromodulin och kondroadherin och deras samspel med övriga komponenter i bindväven. Dessa två proteiner fungerar som byggstenar och tillhör en familj av proteiner lokaliserade i bindväven i den så kallade extracellulära matrisen utanför cellerna. Bindväv återfinns i olika typer av stödjande vävnad som ben, senor, brosk, hud, blodkärlsväggar och i den stödjande vävnaden runt om kroppens olika organ. Uppbyggnaden av de olika vävnaderna ser olika ut beroende på dess funktion och för att upprätthålla funktionaliteten måste bindväven ha speciella biokemiska egenskaper. Dessa egenskaper är beroende på sammansättningen av de olika byggstenarna (molekyler), hur dessa organiserar sig i förhållande till varandra och hur de bygger upp matrisen. De huvudsakliga byggstenarna är en grupp av olösliga molekyler som kallas kollagen. Dessa har förmågan att bilda långa, starka fibrer och bildar nätverk som fungerar som armering vilka står för hållfastheten i vävnaden. Till dessa nätverk associerar lösliga proteiner vars närvaro hjälper till att bestämma form och egenskaper på vävnaden. Fibromodulin och kondroadherin tillhör denna grupp av lösliga proteiner. I nätverken finns celler som upprätthåller egenskaperna i vävnaden. Cellerna styrs av signaler från den närliggande extracellulära matrisen via interaktioner till proteiner på cellytan vilka påverkar syntes av nya molekyler i cellen och uppbyggnad av den omkringliggande vävnaden. Alla vävnader byggs inte bara upp en gång, utan det är en ständigt pågående dynamisk process. Det förekommer en ständig kommunikation mellan cellerna och dess omgivning där nedbrytning av uttjänta molekyler ger plats åt nya komponenter för att upprätthålla stabiliteten och formen på vävnaden. Ibland påverkas denna dynamiska process där balansen mellan uppbyggnad och nedbrytning störs vilket leder till olika allvarliga sjukdomstillstånd som exempelvis artros. Mycket forskning är inriktad på att kartlägga och förstå de molekylära processerna vid olika sjukdomstillstånd. Men för att förstå de bakomliggande destruktiva processerna är det viktigt att även förstå hur de olika nätverken byggs upp under normala förhållanden och hur de skapar strukturen och upprätthåller den funktionella helheten. Identifiering av specifika domäner och egenskaper hos proteinerna som är involverade i interaktionerna till varandra är en viktig del i denna kartläggning. Identifiering och isolering av aktiva domäner i proteiner kommer att generera kraftfulla verktyg som kan användas till att specifikt manipulera och påverka uppbyggnad/nedbrytning av vävnader. Två sådana aktiva domäner i proteinet kondroadherin identifieras i denna avhandling. Den ena domänen återfinns i en loop-struktur i den C-terminala delen av proteinet. Denna domän binder specifikt till ett protein som finns integrerat med cellytan, den s.k. α2β1integrinen. Integriner är en familj av proteiner som har förmågan att förmedla information både utifrån bindväven till insidan av cellen samt inifrån cellen till omgivningen på utsidan av cellen. Vid bindning av broskceller (kondrocyter) till en syntetisk peptid motsvarande den identifierade aktiva domänen startar en signaleringskaskad i cellen som påverkar cellulära funktioner. Den andra domänen är lokaliserad i den absoluta C-terminala delen av proteinet och består till största delen av aminosyror med basiska egenskaper. Denna domäns egenskaper gör att den kan binda till molekyler med motsatt laddning, dvs. negativt laddade molekyler. I avhandlingen studeras bindning av domänen till laddade molekyler på ytan av kondrocyter och benceller (osteoblaster). Bindningen visar sig vara specifik till en speciell negativt laddad sockermolekyl, heparan sulfat, som tillhör gruppen glykosaminoglykaner. Dessa är alltid kopplade till en proteinkedja, och tillsammans bildar de en enhet som kallas för en proteoglykan. En funktion för dessa är att själva eller tillsammans med andra proteiner (t.ex. integriner) förmedla information till cellens inre. Celler som binder till den integrin-bindande domänen av chondroadherin i närvaro av den basiska domänen resulterar i en spridning av cellerna och en ökad inbindning av antalet celler. Även bindning av denna domän leder till en signaleringskaskad i cellen. I fibromodulin studeras den N-terminala domänen av proteinet, vilken är starkt negativt laddad, och bindning till heparinbindande proteiner. Domänen innehåller nio aminosyror av typen tyrosin. Speciellt med denna aminosyra är att den kan bära en sulfatgrupp. Åtta av de nio tyrosinerna kan bära en sulfatgrupp. I sekvensen finns även de negativt laddade aminosyrorna asparaginsyra och glutaminsyra. Tillsammans bildar alla dessa aminosyror en väldigt negativt laddad molekyl. Domänens egenskaper kan liknas vid den negativt laddade molekylen heparin och i ett av arbetena visar vi att denna domän binder till den basiska domänen i de tre extracellulära proteinerna kondroadherin, PRELP och kollagen IX. Dessa tre proteiner och fibromodulin binder kollagenfibrer via andra domäner i sina proteinkedjor. Beroende på vilken basisk molekyl som binder till den negativa domänen i fibromodulin föreslås bestämma avståndet mellan kollagenfibrerna. Hur tätt de individuella molekylerna sitter på kollagenmolekylen kan också vara avgörande för hållfastheten och elasticiteten i vävnaden. Det finns även andra lösliga molekyler i vävnaden som inte fungerar som byggstenar utan i stället är budbärare, s.k. ”signaleringsmolekyler” eller cytokiner. Många av dessa molekyler är positivt laddade och det är känt att när dessa binder till de negativt laddade glycosaminoglykankedjorna presenteras de för och/eller aktiverar receptorer på cellytan. Här visas att den N-terminala domänen i fibromodulin också kan binda dessa positivt laddade molekyler. Funktionen av den bindningen kan vara att hålla kvar dessa annars mobila molekyler i vävnaden i ett inaktivt tillstånd och vid speciella tillfällen, exempelvis vid en skada, frisätts dessa och blir tillgängliga för andra mottagare. Fortsättningsvis har även funktionen av den N-terminala domänen av fibromodulin i formeringen av kollagenfibrer studerats. Denna del binder till kollagenmolekylerna och bidrar till att hela proteinet får en hög bindningstyrkan. Resultaten pekar på att domänen har en viktig funktion i den initiala fasen i bildandet av kollagenfibrer och har förmågan att para ihop kollagenmolekylerna så att de hamnar rätt i förhållande till varandra och välorganiserade fibrer bildas. Sammanfattningsvis beskrivs i de fyra arbetena biologiskt aktiva domäner i de båda proteinerna fibromodulin och kondroadherin. Bindning via dessa domäner till andra molekyler föreslås ha betydelse för hur vävnader formas och för cellers kommunikation med sin omgivning.