Complex Formation in the Extra Cellular Matrix- Structural Study of CTLD of Agrrecan, Tenascin-R and Chondroadherin

Abstract

The cells of higher organisms exist in a complex protein network, the extracellular matrix (ECM), which has a wide variety of different components such as glycoproteins, proteoglycans and carbohydrates. As well as being the physical scaffold on which the cells are dependent for their positioning and mobility, the ECM exercises control over the cells, and changes in the matrix will affect the adhesion, proliferation and differentiation properties of these cells. These complex functions are based on interactions between ECM components and their cellular receptors, such as integrins and cell surface proteoglycans.

Some of the main structural protein families in the ECM are collagens, laminins, tenascins and proteoglycans. Aggrecan, which is one of the most abundant proteins in the ECM, belongs to the lectican family, which is a subfamily of proteoglycans. It interacts with structurally different proteins, such as tenascin-R and -C, fibulin-1 and -2.

The overall goal of the work presented in this thesis is to increase understanding of the three-dimensional structures of four structurally different ECM proteins, which are important for the ECM network. Disruption of the interactions made by these proteins is thought to be of importance in various diseases, for example rheumatoid arthritis (RA). One specific aim is to generate structures of protein-protein complexes that can give a general model for the interaction of the C-type lectin like domain (CTLD) of lecticans in complex with fibronectin type III repeats of tenascins. Another aim is to study the CTLD domain of aggrecan in its native state and in complex with the interacting epidermal growth factor (EGF) domains of fibulins. Together these studies increase our understanding of how different structural proteins can compete for the same binding site on the CTLD. It will also make a contribution to the understanding of the complex network formation of the extracellular matrix.

The vast variety of extracellular matrix proteins also led us to investigate the structure of chondroadherin, which promotes attachment of chondrocytes to plastic dishes and to adhere fibroblasts and osteoblasts. Chondroadherin is important in cell-matrix interaction and the structure of chondroadherin would give yet another piece of the puzzle of the growing interactions located in the extracellular matrix.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Då reumatisk värk och artros är en växande folksjukdom har vi valt att studera proteiner som är involverade i dessa sjukdomar. Vi har arbetat med proteiner som finns i utrymmet utanför cellerna, dvs. den extracellulära matrisen. Cellerna formar sin egen närliggande miljö genom att utsöndra diverse proteiner. Dessa proteiner bildar sedan ett komplext nätverk med varandra. Dessa nätverk är viktiga för cellernas överlevnad. Då cellerna ej kan känna av interaktionerna till det viktiga nätverket, skickas signaler till cellen att den är överflödig och försvinner på så viss bort från dess rätta miljö.

Då vi valt att studera proteiner i den extracellulära matrisen med röntgenkristallografi, har vi varit tvungna att endast studera mindre delar av proteinerna aggrecan, tenascin-R och fibulin-1. Fullängdsmolekylerna är för stora och flexibla för att kristalliseras. Tenascin-R och fibulin-1 tävlar om samma inbindningsställe på den C-terminala domänen på aggrecan. Detta är fascinerande då de interagerande domänerna på tenascin-R och fibulin-1 består av helt olika tredimensionella strukturer. Vi har löst strukturen av lektindomänen av aggrecan i interaktion med fibronectin type III (FnIII) domänerna 3-5 av tenascin-R. Denna interaktion är kalciumberoende och vi förväntade oss en interaktion mellan de olika proteinerna där kalciumjonen låg i interaktionsytan och var i direkt kontakt med bägge proteinerna, så som de kända strukturerna för proteiner i komplex med kolhydrater. Men så var inte fallet. Vi såg ingen direkt interaktion av kalcium med tenascin-R (paper I) utan de stabiliserande ytorna i komplexet kommer troligtvis från vätebindande ytor samt en interaktion från en hydrofob loop i lektindomänen som är positionerad i exakt formation för en hydrofob interaction på tenascin-R. Dessa tankar är bekräftade i vår andra artikel (paper II) där vi beskriver hur mutationer i det viktiga kalciumbindande sätet påverkar interaktionen av tenascin-R, fibulin-1 och fibulin-2. Vi observerade att då kalciumsätet var fullkomligt bortmuterat försvann inbindningen totalt med fibulin-1 och -2, medan det var en reduktion i interaktionen av tenascin-R. Vi såg också med hjälp av röntgenkristallografi att då kalciumsätet blir ockuperat med en natriumjon får vi en drastisk förflyttning av den hydrofoba loopen i lektin domänen av aggrecan. Detta ser vi som en av anledningarna varför tenascin-R interaktionen minskar och inte helt försvinner. Då vi inte kan se några drastiska förändringar i den andra viktiga interaktionsytan på lektinet som vätebinder med tenascin-R, kan detta vara orsaken till att interaktionen för fibulinerna försvinner helt medan den finns kvar för tenascin-R. Vårt nästa mål är att få kristallstrukturen av domänen av aggrecan i komplex med de interagerande domänerna i fibulin.

Vårt tredje papper handlar om kristallografiska studier av chondroadherin. Vi har kristalliserat och samlat data, men då vi har pseudosymmetri i våra kristaller, samt att inga av de tungatomsderivat vi försökt med har fungerat, står vi fortfarande utan lösning till denna struktur (paper III). Då det finns strukturer av homologa proteiner, så som decorin och biglycan, till chondroadherin förväntade vi oss att vi skulle kunna lösa strukturen, men de anonyma leucine-rich repeaten i kombination med en C-terminal del som inte är lik någon känd struktur, så gör det att strukturen är svårlöst.

De strukturella och funktionella studier som vi har presenterat i denna avhandling ökar kunskapen om hur matrisproteiner interagerar med varandra. Men detta är bara början: ju fler komplex som blir lösta på atomär nivå, desto mer kan vi förstå av sjukdomar så som reumatisk värk och artros. Men det är inte bara på atomär nivå som vi behöver strukturer, utan även på global nivå, då man kan se hur dessa nativa oklippta proteiner interagerar med varandra och andra extracellulära matris proteiner. Detta är en utmaning som blir lättare med de nya metoderna så som single particle elektronmikroskopi och lågvinkel röntgenspridning.

• author: Pramhed, Anna
• supervisor: Derek Logan
• opponent: Doc. Hohenester, Erhard, Division of Cell & Molecular Biology, Imperial College London, Biophysics Section, Blackett Laboratory
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: aggrecan, ECM, fibulin, structure, tenascin, CHAD, chondroadherin, X-ray, crystallography, calcium, CTLD, C-type lectin, fibronectin, FnIII, LRR, epidermal growth factor, leucine-rich repeat, matrix, EGF, cbEGF
• pages: 113 pages
• defense location: Lund University Getingevägen 60 Center for Chemistry & Chemical Engineering Lecture hall B
• defense date: 2008-02-29 09:15:00
• ISBN: 978-91-7422-188-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7b70ef6e-aa87-4c95-93d8-f204a8a8fceb (old id 1024776)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:41:41
• date last changed: 2018-11-21 21:21:45