Intestinal mucins 'soluble and insoluble problems'

Abstract

Highly glycosylated glycoproteins – mucins – are the major constituents of the mucus layer and glycocalyx that cover mucosal surfaces. Twelve human mucin genes have been identified, and the mucins may be divided into those that are membraneassociated and those that are secreted. Among the latter, the oligomeric mucins are responsible for mucus formation. The various tissues have characteristic mucin ‘expression profiles’.



Mucins from rat small intestine occurred as an ‘insoluble glycoprotein complex’. The complex was composed of disulphide-bonded subunits containing two highly glycosylated mucin domains. The latter were of different length but substituted with similar oligosaccharides. Most of the neutral and sialic acid-containing glycans were relatively short and ‘simple’ structures.



The human colonic ‘insoluble glycoprotein complex’ was shown the be mainly composed of MUC2 and virtually all MUC2 was present in this form. In addition to disulphide bonds, a ‘novel’ reduction-insensitive bond that joined subunits was iden-tified. Proteolytic cleavage in the C-terminal end of MUC2 occurred, leaving a 120 kDa fragment attached to the complex through disulphide bonds.



A high-molecular-mass, monomeric, mucin with a high turnover-rate and high density was identified in colonic tissue incubated with radiolabelled mucin precursors. Most of the radiolabel was incorporated into this mucin while MUC2 was only poorly labelled. The presence of the monomeric mucin may complicate interpretations of metabolic studies designed to examine MUC2.



Changes in the glycosylation of MUC2 was identified in colorectal carcinoma, including variations in blood group A, Lea, Leb, as well as Tn, sialyl-Tn, sialyl-Lea, sialyl-Lex antigen expression. However, an increased expression of the sialyl-Tn was the only finding consistently observed in tumour tissue.



The various glycoproteins that form the basis for mucosal protection are very large and complex structures that so far have been difficult to isolate and study. Consequently, the progress of this particular niche of ‘matrix biology’ – focused on the interface between the outside and the inside of the body – has been hampered by a ‘methodological burden’. The work described here adds significantly to the information on the structure and properties of some of the major players in this field and also provides novel methodological approaches. Such work is a prerequisite for understanding pathological conditions characterised by a deranged mucosal protection and thus for the development of future approaches for handling such conditions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

På utsidan av insidan - slemmet i tarmen



Kroppens slemhinnor, till exempel de i magsäcken och tarmen, täcks av ett slemlager. Slemmet skyddar cellerna i slemhinnan från skadliga ämnen och mikroorganismer genom att ‘fånga’ dem och därmed hindra dem från att nå fram till cellerna. Slemmet är uppbyggt av stora, trådlika och ’klistriga’ molekyler, så kallade muciner, som gör slemmet segt och elastiskt. Muciner är glykoproteiner som består av en proteinkedja från vilken ett stort antal olika kolhydratstrukturer radierar ut. Kolhydratstrukturerna är anrikade till vissa delar av proteinkedjan, så kallade mucin-domäner, som gör att mucinet i denna del av molekylen liknar en ’flask-borste’. Mellan mucin-domänerna finns ’nakna’ regioner av proteinkedjan. Flera likadana mucin-enheter binds samman, likt vagnarna i ett tåg, till långa flexibla trådar med så kallade svavelbryggor. Svavelbryggor kan brytas med kemiska reagenser och om man behandlar ett mucin med ett sådant reagens delas mucinet sönder i mucin-enheter. Mucinerna som bildar slem tillverkas av specialiserade celler i slemhinnan som kallas bägarceller och utsöndras på slemhinnan. I bindväven, under slemhinnan, finns körtlar med utförsgångar som mynnar i slemhinnan och som också tillverkar muciner. Förutom de slembildande mucinerna finns det muciner, som ’sitter fast’ i det ’hölje’ (cellmembran) som omger cellerna. Dessa membranbundna muciner består av endast en mucin-enhet.



Tolv olika muciner är kända idag och de skiljer sig framför allt i proteinkedjan men även i kolhydratstrukturerna. Mucinerna har fått beteckningen MUC1 till MUC12, där MUC5 finns i två varianter MUC5AC och MUC5B. Varje vävnad har sin specifika uppsättning av muciner. I tarm-slemhinna finns framförallt det slembildande mucinet MUC2, samt några membranbundna muciner.



Jag har de studerat de muciner som finns i tarm-slemhinnan, framför allt MUC2. Slemmet här har en speciell funktion jämfört med slem på andra slemhinnor, det ska förhindra skadliga ämnen från att nå slemhinnan och samtidigt tillåta näringsämnen från den nedbrutna födan i tarmen att passera. En ökad förståelse för slemmets och mucinernas egenskaper och funktion samt hur detta skydd upprätthålls kan hjälpa oss att förstå vad som ’går fel’ när skyddet sviktar.



Muciner renas genom att man ’blandar’ slem med en stark salt-lösning, mucinerna och andra molekyler blir då lösliga eller ’fria’ och kan ’samlas’ upp. Mucinerna skiljs från andra molekyler och kan sedan studeras. Jag har visat att MUC2 från tarm hos råtta (delarbete I) och människa (delarbete II) skiljer sig från andra slembildande muciner genom att det är ‘olösligt’. Förutom svavel-bryggorna som fogar samman mucin-enheterna finns i detta slem ytterligare en bindning, som binder samman trådarna så att ett nätverk av MUC2 bildas-ett ‘MUC2 komplex’.



För att studera hur molekyler i kroppen bildas, använder man ofta ’organ-kultur med radioaktiv inmärkning’, vilket innebär att små bitar av vävnad (biopsier) hålls vid liv i en näringslösning. I näringslösningen tillsätts ett radioaktivt märkt ämne som cellerna i vävnaden ’bygger’ in i de molekyler som de tillverkar, som till exempel muciner. Radioaktiviteten används för att ’se’ molekylen. Denna metod bör användas med försiktighet om man studerar MUC2, eftersom endast en liten del av de radioaktivt märkta ämnena ’byggs’ in i MUC2 (delarbete III). Den största delen av radioaktiviteten återfinns i ett annat stort mucin, som består av endast en mucin-enhet. Jag kan idag inte säga om det är något av de redan kända mucinerna eller en ny molekyl. Mucinet är svårt att skilja från MUC2 och om man inte känner till detta och noggrant separerar det från MUC2 kan man dra felaktiga slutsatser om hur detta mucin utsöndras.



Cancer i tjocktarmen är en av de vanligaste cancer formerna i västeuropa. Om tumören upptäcks tidigt, kan man förhindra att den sprider sig och cancersjukdomen kan botas. Molekyler som förändras vid cancer och som vi lätt kan hitta och mäta kan hjälpa oss att upptäcka tumörer tidigt. Jag har jämfört MUC2 från normal tjocktarms-slemhinna med MUC2 från tumören hos individer med cancer i tjocktarmen och sett att kolhydrat strukturen ändras hos MUC2 vid cancer (delarbete IV). Möjligtvis kan en “felaktig” MUC2 molekyl, som endast förekommer vid tjocktarms cancer utnyttjas för att upptäcka tumören på ett tidigt stadium.



De olika glykoproteiner som utgör basen i slemhinneskyddet är stora och komplicerade strukturer som hittills varit svåra att isolera och studera. Denna avhandling belyser struktur och egenskaper hos några av de viktigaste glykoproteinerna med denna funktion i tarmslemhinnan samt beskriver nya metodologiska angreppspunkter. Studier av detta slag är en förutsättning för att vi skall förstå de sjukdomstillstånd som är förknippade med ett nedsatt slemhinneskydd och för en framtida handläggning av dessa tillstånd.

• author: Herrmann, Annkatrin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Taylor-Papadimitriou, Joyce
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: colorectal carcinoma, pulse labelling, organ culture, glycopeptide, small intestine, colon, glycoprotein complex, insoluble, muc2, MUC2, Mucin, mucus, carbohydrate, oligosaccharide., Gastro-enterology, Gastroenterologi
• pages: 123 pages
• defense location: BMC, Sölvegatan 19, GK salen 9.15 am
• defense date: 2000-11-13 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM- - 00/1050- -SE
• ISBN: 91-628-4375-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Division of Infection Medicine (BMC) (013024020), Mucosal biology (013212033)
• id: b4a5ec4d-215f-4b3a-ae61-927528a47076 (old id 40873)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:05:49
• date last changed: 2018-11-21 20:56:41