The role of leucine-rich repeat glycoproteins/proteoglycans in the assembly of collagen matrices

Abstract

The properties of different connective tissues depend on the synthesis and assembly of macromolecular structures composed of collagen and other extracellular matrix components. Mechanisms modulating these events play important roles in the formation of a functional tissue. We have studied the role of collagen-binding extracellular matrix leucine-rich repeat glycoproteins/proteoglycans in the formation of collagen matrices.



A region in decorin with high affinity for collagen type I was identified. Using a mammalian cell expression system we produced recombinant chimeric proteoglycans consisting of decorin sequences fused with biglycan sequences. Biglycan is closely related to decorin but does not bind to collagen type I. The collagen-binding properties of the proteoglycans and the proteoglycan chimeras were investigated in collagen fibril formation/sedimentation assays. The chimeric proteoglycan consisting of biglycan, substituted with leucine-rich repeats 4-5 from decorin, bound collagen type I. This region represents 13% of the amino acid sequence of decorin and contains a major collagen binding site.



To study the function of fibromodulin in vivo, a mouse strain lacking the expression of this proteoglycan was generated by gene targeting. These mice phenotypically showed abnormal collagen fibrils in tendons, suggesting a role for fibromodulin in collagen fibrillogenesis. Moreover, these fibromodulin-null mice showed an increased lumican deposition in tendons. Using both recombinant fibromodulin and lumican in collagen fibril formation/sedimentation assays, we showed that fibromodulin and the closely related lumican share a binding region on collagen type I fibrils. The binding of fibromodulin to collagen occurs with higher affinity than the binding of lumican.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bindväv är samlingsnamnet på de vävnader som bygger upp ben, brosk, senor, ligament, tänder, hud m.m. Bindväven utgör kroppens stomme och bidrar med stödjande och elastiska funktioner samt ger skydd åt kroppen både på utsidan och åt de inre organen. Det finns ganska få celler i bindväv jämfört med många andra vävnader i kroppen och det finns olika celltyper i olika sorters vävnad. Cellerna har till uppgift att producera proteiner och kolhydrater vilka utgör bindvävens byggstenar och kallas extracellulär matrix (ECM). Proteiner och kolhydrater är i sin tur uppbyggda av aminosyror respektive sockermolekyler, som är ihopkopplade i längre eller kortare sekvenser. Cellernas syntes av olika proteiner och kolhydrater bestämmer bindvävens karaktäristiska egenskaper.



Bindväv består framförallt av olösliga proteinfibrer samt av lösliga proteinmolekyler. Fibrerna ger styrka och hållfasthet åt vävnaden och består framförallt av kollagen, som är det vanligaste proteinet i djur och människor och utgör en tredjedel av den totala proteinmängden. Av de lösliga proteinerna i bindväven är flera kopplade till långa sockerkedjor, s.k. glykosaminoglykaner (GAG), och dessa proteiner kallas därför proteoglykaner. Sockerkedjorna bär ofta negativa laddningar, vilket gör att de attraherar vattenmolekyler. Omgärdade av ett nätverk av kollagen kan de laddade molekylerna skapa ett osmotiskt tryck, vilket är viktigt exempelvis i brosk, som måste kunna ta emot och fördela tunga stötar. Senor är tänjbara vävnadsstrukturer som binder samman muskler och ben samt ger stabilitet åt leder. Jämfört med brosk, har senor därför en annan sammansättning av proteiner och kolhydrater.



Bindväv är ingen statisk vävnad utan det pågår hela tiden både nedbrytande och uppbyggande processer. Dessa processer kontrolleras och regleras på många nivåer. Med hjälp av forskningen inom detta omfattande område hoppas man kunna kartlägga de olika molekylerna i bindväv och hur de påverkar varandra.



Vår forskning koncentrerar sig på ett antal nära besläktade bindvävsproteiner, tillhörande en s.k. gen- eller protein-familj. De består av en proteinkedja som kan delas in i tre olika strukturella delar, vilka kallas domäner. Utmärkande för proteinerna inom denna familj är deras mellersta domän, som består av ca tio stycken mycket lika repeterade enheter i följd. I dessa enheter förekommer aminosyran leucin ofta och földjaktligen kallas denna mittdomän "leucin-rik repeat" domän, förkortat LRR. Några av dessa proteiner har GAG-kedjor på sig och räknas därför som proteoglykaner. De extracellulära matrix leucin-rika "repeat" (ECM LRR) proteiner vi studerar finns i många olika vävnader, bl.a. i brosk, senor och hud.



Flera ECM LRR proteiner kan binda till kollagen och dessutom påverka kollagenfibrers utseende och mekaniska egenskaper. Vi har framförallt studerat de kollagenbindande ECM LRR proteinerna decorin, fibromodulin och lumican. Tidigare har proteinerna renats från vävnad, vilket är en ganska omständig process. Dessutom riskerar reningsproceduren att förstöra vissa egenskaper hos proteinerna. I avhandlingsarbetet har vi istället, med genteknik, tillverkat dessa proteiner i cellkulturer. Med hjälp av dessa proteiner har vi visat att decorin binder till kollagen via "repeat-enhet" 4 och 5 i LRR domänen.



Vi har också studerat fibromodulins funktion in vivo, dvs i en levande varelse. Vi har använt oss av en relativt nyetablerad teknik där man inför en förändring, en s.k. mutation, i arvsanlagen hos mus så att ett specifikt protein inte längre tillverkas. Muterade möss som saknar detta protein kan sedan studeras för att ta reda på vilka funktioner proteinet har. Förändringarna hos möss som saknar fibromodulin (fibromodulin-noll) är små när man jämför dem med vanliga möss. Mössen växer normalt, är fertila och har normal livslängd. Däremot har fibromodulin-noll mössen onormala kollagenfibrer i senor, vilket visar att fibromodulin har att göra med bildningen av kollagenfibrer. Dessutom innehåller senor från fibromodulin-noll möss mer lumican än vanliga möss, vilket tyder på att lumican, istället för fibromodulin, binder till kollagenfibrerna. De två närbesläktade proteinerna verkar dock inte ha samma funktion i vävnaden eftersom utseendet på, samt de mekaniska egenskaperna hos, kollagenfibrerna förändrats. Sedan tidigare är det känt att decorin och fibromodulin binder till olika ställen på kollagenfibrer. Våra studier har visat att lumican binder till samma ställe som fibromodulin.



Sammanfattningsvis har studierna visat att fibromodulin är nödvändig för bildningen av korrekta kollagenfibrer, att lumican och fibromodulin binder till samma ställe på kollagenfibrer, samt att en kortare sekvens i decorin är viktig för de kollagenbindande egenskaperna. Förhoppningsvis kan denna forskning bidra till ökad insikt om uppkomsten av sjukdomar som kan drabba bindväven, t.ex benskörhet, artros, fibros och reumatism, och även så småningom leda till utveckling av botemedel.

• author: Svensson, Liz
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Hardingham, Timothy, Manchester University, UK
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: reumatologi, muskelsystem, Skelett, decorin, Collagen, fibromodulin, extracellular matrix, lumican, collagen fibrillogenesis, Skeleton, rheumatology locomotion, muscle system, Biochemistry, Biokemi, Metabolism
• pages: 90 pages
• defense location: Kemicentrum, sal B, Lund
• defense date: 1999-11-12 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--99/1034--SE
• ISBN: 91-628-3787-7
• 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: 9fb3bbca-0784-4fee-9b1f-a363529282f5 (old id 39938)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:29:33
• date last changed: 2018-11-21 20:59:03