Functional Proteome analysis of the molecular mechanism of (myo)fibroblast differentiation

Abstract

Tissue remodeling is observed in several physiological conditions such as embryogenesis, senescence, wound healing and pregnancy, as well as in several pathological conditions such as fibrosis and tumorgenesis. Fibroblasts play a key role in this tissue remodeling due to their capability of altering the turnover of the extracellular matrix. During the remodeling process, the fibroblasts are believed to differentiate into fibroblast-smooth muscle-like cells called myofibroblasts. This differentiation process is mediated by a well-orchestrated interplay between the extracellular matrix and growth factors such as platelet-derived growth factor (PDGF) and transforming growth factor-beta (TGF-beta ). In this thesis, the overall aim was to investigate the mechanism for fibroblast activation by employing various proteomic technologies. We present a mechanistic explanation as to how TGF-beta induces alternative splicing of a number of extracellular matrix components that have been found to be essential for the differentiation process. This thesis also shows how specific carbohydrate moieties can modulate the PDGF-induced cellular response. By isolating fibroblast populations from different bronchial locations, the in vitro results could be compared with the bronchial-derived fibroblast populations by proteome profiling. To achieve these goals, application of a number of proteomic tools was necessary such as two-dimensional gel electrophoresis, multidimensional chromatography and mass spectrometers utilizing both laser desorption and electrospray ionization. A database was also constructed to store and analyze the data derived from the studies. In summary, the results showed that myofibroblast differentiation was dependent upon a coordinate interplay between the extracellular matrix components and growth factors. These growth factors act locally on the fibroblasts to induce a tissue remodeling similar to that observed in diseases such as asthma.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vävnadsförändringar förekommer i många normala tillstånd, antingen gradvis som i åldrande eller mer drastiskt vid till exempel sårläkning, fosterutveckling och förlossning. Dessa vävnadsförändringar är viktiga, men det finns tillfällen då vävnadsförändringar är assoscierade med sjukdomar. Exempel på sådana sjukdomar är utvecklandet av cancer eller fibrotiska tillstånd som karakteriseras av överproduktion av bindväv. Bindväven är den ihophållande strukturen runt celler som ser till att dessa hålls på plats och att cellerna förses med rätt signaler från sin omgivning. Vid sjukdomar som astma och kroniskt obstruktiv lungsjukdom (KOL), även kallad ”rökarsjukan”, genomgår delar av lungans bindväv förändringar som bidrar till de irreversibla symptomen som finns hos patienter med dessa sjukdomar. De huvudsakliga cellerna i bindväven är fibroblasterna som ansvarar för det normala uppbyggandet och nerbrytandet av bindväven. Vid normala vävnadsförändringarna genomgår fibroblasterna en differentieringsprocess som möjliggör att dessa celler kan producera stora mängder bindvävskomponenter. Liknande typ av differentiering av fibroblasterna har observerats vid de oönskade vävnadsförändringarna hos astmatiker. Vid dessa tillstånd avbryts inte förändringsprocessen utan fortlöper tills den blir irreversibel Det är i huvudsak mekanismerna bakom fibroblasternas differentieringsprocess som har varit av intresse i denna avhandling. Genom att ta celler från olika ställen från patienter med astma och från friska frivilliga var det möjligt att studerar fibroblasterna var från olika ställen i lungan. På detta sätt kunde vi undersöka hur differentierade fibroblasterna var och på så sätt mäta hur utspridd vävnadsförändringen var. Differentieringsprocessen av fibroblasterna i lungan styrs av ett välutvecklat samspel mellan olika typer av tillväxtfaktorer och bindväven. Genom att utveckla teknologier som möjligör analys av många komponenter samtidigt har vi studerat hur denna differentieringsprocessen fortlöper. Vi har upptäck att ett viktigt steg är hur ett stort ett stort proteinkomplex i cellkärnan, spliceosomen, regleras av en viss typ av tillväxtfaktorer. Detta proteinkomplexet modifierar signalerna från vår arvsmassa vilket resulterar i förekomst av andra typer proteiner som agerar som byggstenar i cellerna. Detta innnebär att fibroblasterna producerar olika typer av komponenter som utsöndras utanför cellen och på så sätt förändrar den omliggande bindväven. Detta ger upphov till en bindväv med andra typer av egenskaper som i sin tur påverkar de omkringliggande cellerna. Sammantaget visar resultaten från denna avhandling att differentieringsprocessen av fibroblasten är beroende av att samarbetet mellan tillväxtfaktorerna och bindväven är välfungerande. Om detta samarbete inte fungerar optimalt, riskerar bindväven att förändras på ett oönskat sätt vilket kan leda till de irreversibla vävnadsförändringar som uppstår hos patienter med astma eller kroniskt obstruktiv lungsjukdom.

• author: Malmström, Johan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Andrén, Per, Biological and Medical Mass Spectrometry Research Laboratory, Department of Pharmaceutical Biosciences, Uppsala.
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: fibroblast/myofibroblast/extracellular matrix/asthma/COPD/PDGF/TGF-beta/heparan sulfate/proteoglycans/proteomics/mass spectrometry/MALDI/ESI, Metabolism, Biochemistry, Biokemi, metabolism
• pages: 209 pages
• defense location: GK salen, BMC
• defense date: 2003-10-03 09:15:00
• ISBN: 91-628-5816-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Johan Malmström, Kristoffer Larsen, Lennart Hansson, Cleas-Göran Löfdahl, Ole Nöregaard-Jensen, György Marko-Varga and Gunilla Westergren-Thorsson. Proteoglycan and Proteome profiling of Central Human Pulmonary Fibrotic Tissue Utilizing Miniaturized Sample Preparation: A Feasibility study. Proteomics. Apr: 2(4):394-404 (2002). Article: II. Johan Malmström, Ellen Tufvesson, Claes-Göran Löfdahl, Lennart Hansson, György Marko-Varga and Gunilla Westergren-Thorsson. Activation of Platelet-Derived Growth Factor Pathway in Human Asthmatic Pulmonary-Derived Mesenchymal Cells. Electrophoresis Jan 24 (1-2) 276-85 (2003). Article: III. Johan Malmström and Gunilla Westergren-Thorsson. Heparan sulphate upregulates platelet-derived growth factor receptors on human lung fibroblasts. Glycobiology. 8 (12), 1149-1156. (1998). Article: IV. Ellen Tufvesson, Johan Malmström, György Marko-Varga and Gunilla Westergren-Thorsson. Biglycan isoforms with differences in polysaccharide substitution and core protein in human lung fibroblasts. European Journal of Biochemistry, 269, 3688-3696 (2002). Article: V. Johan Malmström, Kristoffer Larsen, Lars Malmström, Ellen Tufvesson, Ken Parker, Jason Marchese, Brian Williamson, Dale Patterson, Steve Martin, Peter Juhasz, Gunilla Westergren-Thorsson and György Marko-Varga. Nano-Capillary Liquid Chromatography Interfaced to Tandem MALDI and ESI mass Spectrometry: Mapping the nuclear proteome of human fibroblasts. In press Electrophoresis (2003). Article: VI. Johan Malmström, Kristoffer SA Larsen, Lars Malmström, Ellen Tufvesson, Ken C Parker, Jason Marchese, Brian L Williamson, Steve J Hattan, Dale H Patterson, Steve A Martin, Armin Graber, Peter Juhasz, György Marko-Varga and Gunilla Westergren-Thorsson. Quantitative proteomic analysis of Transforming growth factor stimulated human lung fibroblasts: Serine and arginine-rich splicing factors as a nuclear targets for TGF-beta dependent induction of alternative splicing. Submitted to Journal of Biological Chemistry.
• id: 26d89f24-5b79-4073-aac9-d2e4be3d10d2 (old id 466120)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:21:17
• date last changed: 2019-07-04 02:21:08