Biosynthesis of Dermatan Sulphate. Enzymatic mechanism and role of cytokines

Abstract

Dermatan sulphate is a prominent feature of several different proteoglycans and occurs in almost every tissue of the body. It is an unbranched polymer containing the repeating disaccharide unit of N-acetylgalactosamine and D-glucuronic acid or L-iduronic acid. The polymer can be highly sulphated resulting in an unusual and largely unknown diversity in the chain. The unique step in dermatan sulphate synthesis is the conversion of glucuronic acid into iduronic acid, performed by the action of the dermatan sulphate C5-epimerase. This is followed by a subsequent C4-sulphation of the N-acetylgalactosamine unit by a 4-O-sulphotransferase. C5-epimerase and 4-O-sulphotransferase were quantitated in tissues producing dermatan/chondroitin sulphate of different structures. Varying amounts of enzyme activity corresponded to different amounts of iduronic acid and, in tissue devoid of iduronic acid no epimerase could be demonstrated. In contrast, adequate amounts of 4-sulphotransferase were detected indicating a regulating role for the C5-epimerase in dermatan sulphate synthesis. A possible mechanism to generate the varation in content and organisation of iduronic acid in dermatan sulphate is the influence of various cytokine expressions. To investigate this, fibroblasts were either treated with epidermal growth factor, transforming growth factor-ß and platelet derived growth factor-BB singly or in combination. This resulted in a profound change in proteoglycan production, where biglycan in particular was increased after treatment with a combination of cytokines. Furthermore, treatment with cytokines decreased the C5-epimerase activity, which resulted in a change in dermatan sulphate structure with an increased number of glucuronic acid residues. The 4-O-sulphotransferase and glycosaminoglycan chain length was unaffected. The co-polymeric structure of dermatan sulphate is essential for the interaction with matrix components such as cytokines, proteases and cell surface receptors. An increased knowledge of the structure and how its synthesis is regulated would create a greater understanding of tissue remodelling in physiological, as well as pathophysiological conditions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Dermatansulfat liksom kondroitinsulfat är ogrenade kolhydratkedjor som består av aminosockret N-acetylgalaktosamin samt uronsyrorna (sockersyrorna), glukuronsyra eller iduronsyra i repeterande enheter om par två och två. Dessa kedjor, som dessutom är bundna med en esterbindning till aminosyran serin på en proteinstam, kan bestå av nästan ett par hundra modifierade socker. Detta komplex bestående av ett protein med en eller flera kolhydratkedjor bundna till sig kallas med ett gemensamt namn för en proteoglykan.



Proteoglykaner tillsammans med kollagen och andra proteiner utgör beståndsdelarna i vad vi kallar extracellulärmatrix. Matrixet omger cellerna i kroppen och utgör den struktur som gör det möjligt för cellerna att kommunicera och migrera (vandra) sinsemellan. Matrixet fungerar även som en lagringsplats för diverse molekyler och dessutom utgör den ett yttre skydd för cellerna så att de kan motstå yttre tryckförändringar. Vid omlagring eller skada, typ en lokal inflammation, avger matrixet molekyler som i sin tur påverkar cellerna att föröka sig och bilda nytt matrix.



Denna avhandling baseras på studier av kolhydratkedjan dermatansulfat, hur och vad som förändrar dess struktur och vilken effekt denna förändring har på bindväven som helhet. Strukturen på dermatansulfat kan variera mycket, bland annat genom förekomsten av negativt laddade sulfatgrupper på aminosockret samt de alternerande uronsyrorna. Variation i struktur beror också på mängden uronsyra samt förhållandet mellan glukuronsyra och iduronsyra, vilket är viktig för interaktion och samverkan med andra bindvävsmolekyler.



En viktig beståndsdel i extracellulärmatrix är tillväxtfaktorerna (cytokinerna). De är ofta polypeptider som har egenskaper att påverka celltillväxt, celldifferentiering (cellförändring) samt cellmigration (cellrörelse). Tillväxtfaktorerna kan också påverkar fibroblasterna att producera proteoglykaner. Genom att cytokinerna binder till sina respektive receptorer, som oftast är transmembrant lokaliserade i cellmembranet, så kan yttre signaler (stimuli) förmedlas in till cellen. Signalerna kan välja olika vägar till cellkärnan beroende på vilken tillväxtfaktor som stimulerar cellen. Dessa olika signalvägar kan ibland agera synergistiskt vilket gör att cellen svarar med en ökning av antalet celler men också av olika bindvävskomponenter, bl a proteoglykaner.



Produktionen av proteoglykaner har också studerats i denna avhandling. Genom att tillsätta en kombination av tre tillväxtfaktorer transforming growth factor-b (TGF-b), epidermal growth factor (EGF) och platelet derived growth factor (PDGF-BB) till humana lungfibroblaster har vi visat att det leder till en betydande ökning av stora och små proteoglykaner. De små proteoglykanerna, dekorin men framförallt biglykan har visat sig öka vid omsättning och nybildning av matrixet. Dekorin och biglykan har en respektive två kolhydratkedjor kovalent bundna till proteinstammen och dessa kolhydratkedjor kan ha strukturen av antingen kondroitinsulfat eller dermatansulfat. För att upprätthålla en viss struktur och en viss sammansättning av proteiner i matrixet är interaktionen mellan kolhydratkedjorna och bindvävsproteinerna viktiga. Den struktur som har en viktig, men hittills ganska okänd betydelse för interaktionen är dermatansulfat.



Iduronsyran är glukuronsyrans epimer, dvs vid kol fem sker vid biosyntes en invertering av syrans karboxylgrupp vilket leder till frisättning av ett väte från kol fem samt en förändring i syrans rymdkonformation. Denna invertering sker inte spontant utan den sker med hjälp av ett enzym, ett C5-epimeras. Detta enzym har visat sig ha en nyckelroll vid själva biosyntesen (nybildningen) av dermatansulfat och utan dess existens så bildas inte den aktuella polysackaridkedjan. C5-epimeraset arbetar tillsammans med ett 4-sulfotransferas som, efter att ha sulfaterat hexosaminen nära iduronsyran, gör reaktionen irreversibel. I avhandlingen har vi visat att vävnader som helt saknar C5-epimeras inte heller producerar dermatansulfat. Samma kombination av tillväxtfaktorer som ökade framförallt biglykan påverkar också C5-epimerasets aktivitet. Efter tillsats av tillväxtfaktorerna minskade C5-epimerasaktiviteten drastiskt medan sulfotransferasaktivitet förblev opåverkad. Detta resulterade i en ökad mängd glukuronsyra i dermatansulfat, dvs polysackaridkedjan fick mer och mer karaktären av en kondroitinsulfatkedja.



Effekten av denna förändring i struktur hos dermatansulfat kan diskuteras. Eftersom man tidigare har visat att celler hindras att föröka sig, vid tillsats av dermatansulfat innehållande stor mängd iduronsyra, så kan man tänka sig att den effekten minskar. En viktig faktor i koagulationssytemet är heparin cofaktor II. Genom interaktion mellan en specifik högiduroniserad och högsulfaterad dermatansulfatstruktur och heparin cofaktor II fås en antikoagulering. Denna effekt hämmas förmodligen när mängden glukuronsyra ökar, vilket kan leda till ökad trombosbildning. När dekorin binder till kollagen så ha interaktionen mellan två dermatansulfatkedjor visat sig vara viktig för att upprätthålla en korrekt distans mellan kollagenmolekylerna. Vid en ökning av mängden glukuronsyra i dermatansulfat till mer är 50 % hämmas denna interaktion och en mera instabil och lucker bindväv fås. Vid inflammatoriska förändringar så frisätts dermatansulfat ifrån matrixet och indirekt så underlättar dermatansulfat adhesionen av vita blodkroppar till endotelceller vilket påskyndar det inflammatoriska svaret. Man tror att dermatansulfat kan fungera som en aktivator vid inflammatoriska tillstånd. Om mängden glukuronsyra ökar i dermatansulfat så minskar adhesionen av vita blodkropper och det inflammatoriska svaret förlängs eller uteblir. När matrixstrukturen förändras så påverkas alla matrixfunktioner och kommunikationen mellan cellerna försämras liksom interaktion och produktion av matrixkomponenter.

• author: Tiedemann, Kerstin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: docent Lidholt, Kerstin, Institutionen för Medicinsk biokemi och mikrobiologi, Uppsala.
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: Dermatan sulphate, 4-O-sulfotransferase, Co-polymeric structure, biglycan, decorin, Biochemistry, Biokemi, C5-epimerase, Metabolism
• pages: 151 pages
• defense location: Hörsal B, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2000-05-12 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--00/1040//SE
• ISBN: 91-628-4009-6
• 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: Cell and Matrix Biology (LUR000002)
• id: 1764146e-0fec-4112-8a56-248043d3041f (old id 40449)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:06:20
• date last changed: 2018-11-21 20:56:47