Interactions between extracellular matrix proteins and the complement system - In the perspective of cartilage degradation in inflammatory joint diseases

Abstract

Abstract: The joint diseases osteoarthritis and rheumatoid arthritis are characterized by destructive inflammatory processes that result in pathological changes of the joint tissues, including proteolytic degradation of cartilage and release of extracellular matrix proteins or fragments to the synovial fluid. The complement system, which is a part of the innate immune system, plays a central role in promoting the joint inflammation in these diseases. Potential activators of complement are certain extracellular matrix proteins that become exposed during cartilage degradation. Previous studies have revealed that several proteins from cartilage can activate or inhibit the complement system in vitro.

In the present work, we describe the interactions between the complement system and additional extracellular matrix proteins, with the aim to better understand the role of endogenous ligands in the inflammatory process in joint diseases. We also describe the interactions between complement proteins and cartilage explants that have been subjected to inflammation-induced degradation.

In paper I, we found that the G3 domain of aggrecan activates the classical pathway of complement. However, the activation of the terminal pathway is limited due to the simultaneous binding of factor H. Whether it activates complement when maintained in cartilage or when released into the synovial fluid remains to be elucidated.

In paper II and III, we found that both proline/arginine-rich end leucine-rich repeat protein (PRELP) and the domain NC4 of collagen type IX, inhibit complement by preventing the assembly of the membrane attack complex. Further, PRELP also inhibits the assembly of the alternative pathway C3 convertase, while NC4 enhances the cofactor activities of C4b-binding protein and factor H, in the factor I-mediated cleavage of C4b and C3b. NC4 and fragments of PRELP can be detected in the synovial fluid of rheumatoid arthritis patients. Located in the synovial fluid or exposed on the cartilage surface, they might be important for limiting the complement activation, induced by other extracellular matrix proteins or other potential triggers.

In Paper IV, we found that both the classical and the alternative pathways are activated on the surface of degraded cartilage explants, while components released from cartilage might have a weak, somewhat delayed, opposing role by inhibiting complement. The main activation seems to occur after the major loss of aggrecan from cartilage.

In sum, several proteins of the extracellular matrix, as well as degraded cartilage have the potential to interact with the complement system, and may regulate the inflammatory processes in joint diseases.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Människans immunförsvar ska hjälpa oss att bekämpa infektioner från bakterier och virus. Immunförsvaret kan delas in i två delar; det adaptiva immunförsvaret, som utvecklas hela tiden under livets gång, samt det medfödda immunförsvaret.

De flesta känner kanske till att kroppen kan utveckla antikroppar mot bakterier. Antikroppar känner igen och markerar ut främmande strukturer på till exempel en bakterie, så att immunceller kan känna igen och oskadliggöra dem. Dock tar det några dagar för kroppen att bygga upp detta försvar, eftersom stora mängder antikroppar måste produceras och förfinas för att effektivt kunna markera en bakterie. Fördelen med specialiserade antikroppar är att kroppen minns hur de ser ut, och därför kan producera dem snabbare nästa gång kroppen attackeras av en liknande bakterie. Flera typer av immunceller är inblandade i denna utvecklingsprocess, och utgör en del av det adaptiva immunförsvaret.

Det medfödda immunförsvaret är minst lika viktigt eftersom det hela tiden är redo att aktiveras och gå till omedelbar attack när en invaderande bakterie upptäcks. Till det medfödda immunförsvaret hör flera olika sorters immunceller som bland annat har till uppgift att äta upp och oskadliggöra bakterier eller virusinfekterade celler. Hit hör även komplementsystemet, som bland annat känner igen generella strukturer på bakterier och döende celler, och som varnar resten av immunförsvaret att här är fara och färde.

Komplementsystemet består av bortåt 40 olika proteiner som cirkulerar runt i kroppen eller finns bundet på ytan av kroppens celler. En del av komplementproteinerna är ordnade i en kaskad, och när komplementsystemet utsätts för aktiverande stimuli (t.ex. en bakterie) startas en kedjereaktion där en komponent i övre delen av kaskaden klyver och aktiverar nästa komponent i kaskaden. Det resulterar i att flertalet olika klyvningsprodukter bildas som har olika biologiska funktioner. En del lockar till sig immunceller till platsen där aktiveringen har skett och startar olika inflammatoriska reaktioner, medan andra märker in den komponent som orsakat aktiveringen med markörer som underlättar att den blir bortstädad. Proteiner i slutet av kaskaden kan även skapa porer i bakteriers cellmembran så att de går sönder.

Komplementsystemet kan aktiveras genom tre olika vägar beroende på vilket stimuli systemet stöter på. Den klassiska vägen aktiveras av att proteinet C1q känner igen och binder till antikroppar, döende celler, en del typer av bakterier

45

eller vissa kroppsegna proteiner. Lektinvägen aktiveras när proteinet MBL exempelvis binder till vissa typer av sockerkedjor som bara finns på bakterier. Den alternativa vägen aktiveras spontant i låg grad hela tiden på alla ytor, men tillåts bara ge en stark respons på främmande ytor. Komplementaktiveringen hålls under normala fall hela tiden under noga kontroll av komplementhämmare, så att en lagom respons tillåts.

Det finns ett välutvecklat samspel och kommunikation mellan komplementsystemet och olika sorters immunceller för att ge ett så effektivt och balanserat försvar som möjligt. Responsen gentemot ett yttre hot, som en bakterie, ska inte vara densamma som mot skadade kroppsegna strukturer, även om många av de involverade cellerna och molekylära komponenterna är densamma. Är det obalans i responsen gentemot kroppsegna strukturer kan det bland annat uppstå överdriven inflammation, cellulära förändringar och skador. Obalans i immunförsvaret ligger bakom flera olika sjukdomar, såsom reumatoid artrit (ledgångsreumatism), osteoartrit (artros) och systemisk lupus erythematosus. Komplementsystemets roll i just reumatoid artrit och osteoartrit diskuteras i denna avhandling.

Hos patienter med ledsjukdomarna reumatoid artrit och osteoartrit sker en gradvis försämring av de drabbade ledernas funktion, vilket orsakar stor smärta och begränsningar i rörelseförmågan. På benytorna i en led finns brosk som har som uppgift att underlätta benens rörelser mot varandra och fungera som stötdämpare. I de här sjukdomarna sker en onormal nedbrytning av brosk och ben i de drabbade lederna, och man ser även tydliga tecken på inflammation framförallt i ledgångsreumatism. I flertalet studier har man visat att komplementsystemet är extra aktiverat i lederna hos dessa patienter, jämfört med hos friska personer. Man tror att komplementaktiveringen bidrar starkt till det inflammatoriska tillstånd man ser hos de här patienterna.

En mycket spännande upptäckt som har gjorts är att proteiner som vanligtvis bygger upp strukturerna i brosket även kan ha en förmåga att påverka komplementsystemet och därmed immunförsvarets aktivitet. I tidigare studier har man visat att flera olika sorters protein från brosk antingen kan aktivera eller hämma komplementsystemet. I artikel I-III studerade vi hur ytterligare tre broskproteiner påverkar komplementsystemet. Vi såg att en del av den stora molekylen aggrecan kunde aktivera den klassiska vägen av komplement, medan PRELP och NC4 kunde förhindra att komplementproteiner formade den porstruktur som kan skada celler.

Frågan är varför brosket inte alltid stimulerar komplementsystemet och ger inflammation. En anledning skulle kunna vara att molekylerna i brosket inte är tillgängliga förrän en viss brosknedbrytning redan har påbörjats. Brosknedbrytningen kan göra så att nya strukturer exponeras hos proteinerna vid ytan av brosket, till vilka komplementproteiner från ledvätskan kan binda in. I

46

artikel IV visar vi att en skadad broskyta aktiverar komplementsystemet, medan en oskadad yta inte gör det. En tidig hypotes har varit att proteinfragment som frigörs från brosket och hamnar i ledvätskan även där kan stimulera komplement. I vår studie kan vi dock inte visa att de här fragmenten aktiverar komplement. Snarare ser vi en tendens till att fragmenten har en motsatt effekt och istället hämmar komplement. Kanske kan denna effekt delvis motverka den aktiverande effekt som vi ser att den skadade broskytan har. Man kan tänka sig att en viss komplementaktivering på ytan av skadat brosk (om skadan är liten) kan vara fördelaktig, eftersom det bidrar till att locka till sig immunceller som kan städa bort skadade proteiner. Men blir det en okontrollerad, överdriven aktivering skapas det en inflammatorisk miljö som är skadlig för vävnaderna i leden och som eldar på brosknedbrytningen ytterligare.

• author: Melin Fürst, Camilla
• supervisor: Anna Blom; Johan Malmström
• opponent: PhD van den Berg, Carmen, Institute of Molecular and Experimental Medicine, Cardiff University School of Medicine, United Kingdom
• organization: Protein Chemistry, Malmö (research group)
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biomedical Laboratory Science/Technology; Immunology in the medical area
• keywords: Complement system, rheumatoid arthritis, osteoarthritis, extracellular matrix, cartilage degradation, mass spectrometry
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2016:20
• pages: 74 pages
• defense location: Lilla Aulan, Jan Waldenströms gata 5, Malmö
• defense date: 2016-02-26 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-246-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 114a6984-466b-4e4f-9b45-e5478e627874 (old id 8599023)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:21:09
• date last changed: 2019-05-22 01:36:38