Advanced

Collagen VI - Molecular Assembly and Interactions

Wiberg, Charlotte LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Den forskning som presenteras här bygger på studier av ett antal beståndsdelar i bindväv vars funktioner är i stort sett helt okända. Bindväv finns i många strukturer i människokroppen; brosk, senor, skelett, blodkärlens väggar, hud, stödjevävnad runt olika organ etc. Karakteristiskt för bindväv är att cellerna sitter glest, omgivna av ett heterogent material som kallas för extracellulärt matrix (material utanför celler). Detta extracellulära matrix består av byggstenar som tillverkas av cellerna. Beroende på vilka byggstenar som finns i en speciell bindvävstyp, deras relativa mängd och hur de interagerar med varandra, får bindväven specifika mekaniska egenskaper. Brosk är konstruerat så att det... (More)
Popular Abstract in Swedish

Den forskning som presenteras här bygger på studier av ett antal beståndsdelar i bindväv vars funktioner är i stort sett helt okända. Bindväv finns i många strukturer i människokroppen; brosk, senor, skelett, blodkärlens väggar, hud, stödjevävnad runt olika organ etc. Karakteristiskt för bindväv är att cellerna sitter glest, omgivna av ett heterogent material som kallas för extracellulärt matrix (material utanför celler). Detta extracellulära matrix består av byggstenar som tillverkas av cellerna. Beroende på vilka byggstenar som finns i en speciell bindvävstyp, deras relativa mängd och hur de interagerar med varandra, får bindväven specifika mekaniska egenskaper. Brosk är konstruerat så att det kan ta upp stötar och tryck, samtidigt som det har glatta ytor som glider lätt mot varandra när leden böjs och ledytorna rör sig mot varandra medan senor har stor draghållfasthet, hud är elastisk och så vidare. Trots att större delen av bindväv är “död” materia är den i högsta grad en mycket dynamisk struktur där ett litet antal celler styr omsättningen. Balans måste råda mellan tillverkning och nedbrytning av beståndsdelar i en kontinuerlig process allteftersom cellerna mottar olika signaler från sin omgivning, till exempel då ledbrosket trycks ihop vid belastning. Om denna balans störs kan bindväven förlora viktiga mekaniska egenskaper, tex vid osteoporos (benskörhet) eller vid osteoartrit med leddestruktion. För att förstå vad som händer när balansen i bindväv störs är det nödvändigt att känna till vilka olika beståndsdelar det finns, hur de ser ut och vad de har för funktion. Den forskning vi bedriver syftar till att klarlägga just detta och sättet vi gör det på kan liknas vid att lägga ett pussel. Först letar vi efter nya pusselbitar och när vi hittar en bit definierar vi hur den ser ut. Därefter ser vi om den passar ihop med någon av de andra pusselbitarna vi hittat, dvs om de interagerar med varandra. När vi har lagt ihop några pusselbitar får vi fragment som kan ge ledtrådar till beståndsdelarnas funktion. Beståndsdelarna, eller molekylerna, är egentligen proteiner av mycket varierande utseende. De kan ha andra strukturer, ofta kolhydrater, som en integrerad del av sin yta. I den aktuella studien har vi tittat på hur några utvalda molekyler interagerar med och påverkar varandra. Vi har också isolerat fragment av bindväv där flera olika molekyler sitter ihop för att visa om den biologiska verkligheten stämmer med det vi kan visa i provröret. Protein brukar delas in i familjer definierade av olika gemensamma strukturer. Kollagener är en proteinfamilj med runt 20 kända medlemmar som alla innehåller en trippelhelixstruktur där tre peptidkedjor vindats runt varandra. Ordet kollagen kommer från de grekiska orden κόλλα (lim) och γένοs (alstrande) och vi har länge använt oss av huvudkomponenten i hud, kollagen I, som bildar gelatin vid kokning och som har använts till exempel i lim. Kollagen I tillhör de så kallade fibrillära kollagenerna som är de vanligast förekommande kollagentyperna. De är viktiga strukturella enheter i bindväv där de bildar repliknande strukturer som sammanfogas i ett nätverk. Andra sorters nätverk bildas av kollagen VI, vars centrala del liknar den hos de fibrillära kollagenerna, en utsträckt trippelhelix. Hos kollagen VI sitter det dessutom stora globulära (klotformade) domäner på bägge sidor om trippelhelixdomänen som är viktiga för interaktioner med andra molekyler. Beroende på bindvävstyp återfinns kollagen VI mest runt cellerna eller blandat med det fibrillära nätverket. Trots att kollagen VI finns i de flesta vävnader är dess funktioner långt ifrån utredda. Mekanismerna bakom sammanfogningen av kollagen VI-nätverk är inte kända till skillnad från de bakom fibrillering av kollagen I, som studerats länge. Fibrillering av kollagen I sker spontant i fysiologisk miljö men kan påverkas av andra molekyler som återfinns extracellulärt. Ett exempel är en familj av små proteoglykaner, vilka består av en proteindel (proteo) som i de flesta fall har en eller flera fastsatta socker kedjor som kallas glykosaminoglykaner (glykan). Exempel på medlemmar i proteoglykan familjen är dekorin och biglykan. Proteinerna är ovanligt rika på aminosyran leucin och man tror att till exempel dekorin har formen av en båge som kan passa precis över en kollagen-trippelhelix. Dekorins närmsta släkting, biglykan, har en proteindel som är identisk till nästan 60% med dekorin men har två sockerkedjor i ena änden medan dekorin bara har en. Det finns också små leucin-rika proteiner som är närbesläktade till de små proteoglycanerna men som saknar glykosaminoglykaner, till exempel chondroadherin. Eftersom de flesta små leucin-rika proteiner och proteoglykaner binder till olika kollagen och i vissa fall kan modifiera fibrillering var det logiskt att söka kandidater för kollagen VI-interaktion inom denna familj. Matriliner är ytterligare en proteinfamilj som ännu är relativt okänd. Vi vet att matrilin-1 (som upptäcktes först) främst finns i brosk där det binder till bland annat aggrecan och fibrillärt kollagen. Det finns ytterligare tre medlemmar i familjen som alla består av flera peptidkedjor som sitter ihop i ena änden som en bukett blommor.



Sammanfattningsvis har vi i det första arbetet behandlat hur strukturer inom kollagen VI-molekylen bidrar till komplexbildning i så kallade mikrofibriller. I det andra arbetet har vi påvisat interaktionen och lokaliserat den region i kollagen VI där biglykan och dekorin binder. I det tredje arbetet har vi studerat hur biglykan och dekorin påverkar strukturen hos kollagen VI och funnit en möjlig biologisk roll för biglykan som organisatör av speciella nätverk av kollagen VI. I det fjärde arbetet har vi studerat hela nätverk av molekyler som vi isolerat från vävnad. I denna studie visar vi att interaktionerna i provröret existerar även i verkligheten. Dessutom visar vi helt nya organisationsformer av de olika molekylerna. Vi har identifierat biglykan och dekorin som tillsammans med olika matriliner är bundna till kollagen VI mikrofibriller. De binder andra molekyler via matrilin, tex aggrecan och kollagen II. De fyra arbetena har ökat vår förståelse för hur bindväv är organiserat och öppnat upp nya vägar att studera de komplexa molekylära nätverk som finns i bindväv. Ytterligare nya pusselbitar behöver läggas till innan vi är framme vid slutmålet, att förstå vad som händer när balansen mellan uppbyggnad och nedbrytning störs eller att bitarna inte passar ihop så att vi blir sjuka. (Less)
Abstract
The extracellular matrix plays an integral role in tissue remodeling and development and it defines the different mechanical properties of a variety of connective tissues. Its complexity in composition and the details in organization has only been partly elucidated. This thesis focuses on collagen VI and the mutual interactions of a number of matrix proteins that lie within close proximity. Collagen VI is unique among the collagens in its molecular assembly. It forms filamentous networks distinct from those of the fibrillar collagens. During this assembly, the role of the individual domains of the collagen VI molecule in the initial intracellular assembly and subsequent extracellular organization was studied. The N5 domain of the... (More)
The extracellular matrix plays an integral role in tissue remodeling and development and it defines the different mechanical properties of a variety of connective tissues. Its complexity in composition and the details in organization has only been partly elucidated. This thesis focuses on collagen VI and the mutual interactions of a number of matrix proteins that lie within close proximity. Collagen VI is unique among the collagens in its molecular assembly. It forms filamentous networks distinct from those of the fibrillar collagens. During this assembly, the role of the individual domains of the collagen VI molecule in the initial intracellular assembly and subsequent extracellular organization was studied. The N5 domain of the N-terminal globular domain of collagen VI α3-chain was shown to have an essential role. We investigated how two small proteoglycans from the leucine-rich repeat (LRR) protein family, biglycan and decorin, interact with collagen VI and how they effect the supermolecular organization of collagen VI. Biglycan and decorin were shown to interact with collagen VI within the region spanning the N-terminal end of the triple helical domain to the first part of the globular domain. Binding was mediated by the core protein and isolated glycosaminoglycan chains were not able to prevent this interaction. However, biglycan showed a unique ability, not only to organize collagen VI into hexagonal networks but also to catalyze this event, where the two glycosaminoglycan chains were shown to play a crucial role. By extracting collagen VI microfibrils from chondrosarcoma tissue under mild conditions, we showed that collagen VI was attached to the major cartilage molecules, collagen II and aggrecan, via a bridge of the small LRR proteoglycans and matrilins. This bridge constituted collagen VI bound to biglycan or decorin, which in turn bound to matrilin-1, -2 or –3 associated with collagen II or aggrecan. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof. Bruckner, Peter
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Clinical biology, extracellular matrix, glycosaminoglycan, proteoglycan, collagen, biglycan, decorin, Klinisk biologi
pages
201 pages
publisher
Charlotte Wiberg, Dep of Cell and Molecular Biology, BMC Plan C12, SE-221 84 Lund, Sweden,
defense location
Rune Grubb-salen, BMC
defense date
2001-04-21 10:15
ISBN
91-628-4766-X
language
English
LU publication?
yes
id
6b99b74d-2d70-4a5a-be6e-2ae71305f692 (old id 41391)
date added to LUP
2007-07-31 13:43:56
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@phdthesis{6b99b74d-2d70-4a5a-be6e-2ae71305f692,
  abstract     = {The extracellular matrix plays an integral role in tissue remodeling and development and it defines the different mechanical properties of a variety of connective tissues. Its complexity in composition and the details in organization has only been partly elucidated. This thesis focuses on collagen VI and the mutual interactions of a number of matrix proteins that lie within close proximity. Collagen VI is unique among the collagens in its molecular assembly. It forms filamentous networks distinct from those of the fibrillar collagens. During this assembly, the role of the individual domains of the collagen VI molecule in the initial intracellular assembly and subsequent extracellular organization was studied. The N5 domain of the N-terminal globular domain of collagen VI α3-chain was shown to have an essential role. We investigated how two small proteoglycans from the leucine-rich repeat (LRR) protein family, biglycan and decorin, interact with collagen VI and how they effect the supermolecular organization of collagen VI. Biglycan and decorin were shown to interact with collagen VI within the region spanning the N-terminal end of the triple helical domain to the first part of the globular domain. Binding was mediated by the core protein and isolated glycosaminoglycan chains were not able to prevent this interaction. However, biglycan showed a unique ability, not only to organize collagen VI into hexagonal networks but also to catalyze this event, where the two glycosaminoglycan chains were shown to play a crucial role. By extracting collagen VI microfibrils from chondrosarcoma tissue under mild conditions, we showed that collagen VI was attached to the major cartilage molecules, collagen II and aggrecan, via a bridge of the small LRR proteoglycans and matrilins. This bridge constituted collagen VI bound to biglycan or decorin, which in turn bound to matrilin-1, -2 or –3 associated with collagen II or aggrecan.},
  author       = {Wiberg, Charlotte},
  isbn         = {91-628-4766-X},
  keyword      = {Clinical biology,extracellular matrix,glycosaminoglycan,proteoglycan,collagen,biglycan,decorin,Klinisk biologi},
  language     = {eng},
  pages        = {201},
  publisher    = {Charlotte Wiberg, Dep of Cell and Molecular Biology, BMC Plan C12, SE-221 84 Lund, Sweden,},
  school       = {Lund University},
  title        = {Collagen VI - Molecular Assembly and Interactions},
  year         = {2001},
}