Mucins in normal and diseased airways

Abstract

Mucus glycoproteins (mucins) are the principal constituents of respiratory secretions in health and disease. The increased 'acidity' of mucin producing cells in the bronchitic airways is not reflected in a change of negative charge of bronchitic mucins. Furthermore, the size and macromolecular properties of mucins from chronic bronchitic sputa do not differ significantly from those in normal airways. Antibodies against a peptide within the MUC5AC mucin recognize a distinct mucin population in airway mucus. This mucin is large and oligomeric and immunohistochemistry revealed it to be of goblet cell origin. In addition, another population of large oligomeric mucins was identified in the submucosa, probably originating from the submucosal glands. The MUC2 mucin was shown not to be a prominent mucin in airway secretions. Bovine trachea was established as a model to study mucin biosynthesis and secretion. The uptake of radioactive glycoprotein precursors by mucin producing cells was monitored by autoradiography and 35S-sulphate, in particular, was incorporated into secreted as well as intracellular mucins. Radiolabelled mucins, secreted into the medium, were smaller and had a higher byoyant density than the predominant species identified in tracheal lavage. The trachea in organ culture may thus not correspond to those secreted by the intact tissue. This observation may have important consequences for the interpretation of data on the synthesis and secretion of mucus-glycoproteins in vitro.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I luftvägarna finns ett sekret, "mukus" eller "slem", som tillsammans med flimmerhårens rörelser förhindrar skadliga ämnen att nå lungorna. Denna sk mukociliära transportmekanism är av yttersta vikt för vår hälsa och överproduktion av mukus tillsammans med försämrad mukociliär transport kan innebära fara för livet. Mukus innehåller till största delen vatten (95-99%) men också äggviteämnen (proteiner) av varierande ursprung och funktion. Vissa av proteinerna i mukus har antibakteriella egenskaper, andra förmedlar immunologisk information medan de molekyler som utgör ämnet för denna avhandling ansvarar för slemmets segflytande egenskaper. Dessa 'mukus glykoproteiner' eller 'muciner', är utomordentligt stora molekyler (10-30 MDa) som kopplats samman till långa flexibla trådar genom sk svavelbryggor. Inom molekylerna finns omväxlande kolhydratrika och kolhydratfattiga områden. Muciner syntetiseras av bägarceller i ytepitelet och mukösa celler i de submukösa körtlarna och flera muciner har identifierats i luftvägssekret. Ett antal gener som kodar för muciner har också upptäckts och några av dem finns inom en och samma region på kromosom nr 11. Mucingener ges beteckningen MUC följt av ett nummer som avspeglar i vilken ordning generna upptäckts. I luftvägarna har man funnit mRNA för MUC1, MUC2, MUC3, MUC4, MUC5AC, MUC5B. MUC1, den först identifierade mucingenen, kodar för ett membranbundet mucin, MUC2 och MUC5AC kodar för stora gelformerande muciner medan samhörigheten mellan övriga 'luftvägsmucingener' och deras produkter kvarstår att utröna.



Vid vissa sjukdomar, som tex kronisk bronkit, ökar produktionen av slem och patienter med denna sjukdom får svårt att hålla luftvägarna rena på normal väg. Mekanismerna bakom denna till synes ofördelaktiga överproduktion är okända, men man vet att cilierna försvinner eller blir ineffektiva och att mucinproducerande celler ökar i antal och omfång. För att bemöta frågeställningar som -- 'Förändras inbördes mängder av olika muciner vid hypersekretion?', 'Förekommer olika mönster i glykosyleringen vid denna typ av sjukdom?' osv -- jämförde vi luftvägsmuciner från friska personer med muciner från patienter med kronisk bronkit (artikel I). Resultaten tyder på att det inte finns någon fundamental skillnad mellan normala muciner och muciner från patienter med kronisk bronkit, men det är otvivelaktigt så att personer med kronisk bronkit utsöndrar mycket mera slem än vad friska personer gör.



Muciner, upprenade från vävnad eller sekret, har karaktäriserats av många forskare runt om i världen. Trots detta är det svårt att jämföra resultaten från olika grupper vilket till stor del beror på att det inte finns något enhetligt schema eller system för att rena upp dessa molekyler. Vissa tekniker innebär att många av de stora mucinerna inte fås i lösning, andra innebär att mucinerna går sönder eller förlorar delar av sin struktur. Vi använder oss av en strategi där mucinerna bringas i lösning med hjälp av en kaotropisk saltlösning, innehållande proteasinhibitorer, och långsam omrörning för att inte fragmentera mucinerna. Vi uttnyttjar täthetsgradientcentrifugering för att rena upp intakta muciner följt av exempelvis jonbyteskromatografi och gelkromatografi för att karaktärisera mucinfragment. Med hjälp av ett polyklonalt serum har vi identifierat genprodukten från MUC5AC i luftvägssekret och lokaliserat dess syntes till bägarcellerna (artikel II och III). Resultaten gav vid handen att MUC5AC-mucinet är stort och uppbyggt av subenheter, men också att det finns ytterligare åtminstone ett större mucin närvarande i luftvägarna.



'Sekretet' i luftvägarna skiljer sig från 'slemmet' i magen. Olika organ ställer olika krav på mukusgelens egenskaper och mukus har också olika funktion att fylla på olika ställen i kroppen. Receptet för att göra en bra mukusgel präglas således av vävnadspecifika variationer. MUC2 hittas tex i intestinalt slem, MUC5AC och MUC6 finns i magen och MUC5AC är ett betydelsefullt bägarcellsmucin i luftvägarna (artikel II och III). I luftvägarna har man funnit att MUC2 genen är aktiverad, men vi har inte lyckats hitta genprodukten i sekretet (artikel II). Detta är givetvis besynnerligt - varför uttrycks genen och till vad nytta?



För att kunna studera mucin produktion och utsöndring mera ingående behövs en tillförlitlig försöksmodell. Alla celler är beroende av utifrån kommande information och stimulans. Cellernas 'informatörer' utgörs av en mångfald olika proteiner, förankrade i cellmembranet, vilka känner av den omkringliggande miljön och rapporterar, via budbärare, till intracellulära strukturer som cytoskelett, organeller och cellkärna. Förändringar i cellernas omgivning påverkar alltid på något sätt cellens beteende. Med detta som bakgrund förstår vi att en vävnadsbit från luftvägarna som odlas utanför kroppen kanske inte alls beter sig som om den befann sig på sin ursprungliga plats. Vi vet egentligen väldigt lite om hur olika miljöer påverkar cellerna, men genom praktisk erfarenhet och viss teoretisk förståelse har forskare ändå lyckats odla celler, vävnader och organ, ibland med stor framgång. Vi har valt att påbörja utvecklingen av en bovin luftvägsmodell in vitro. Genom att först studera och kartlägga vilka muciner som produceras, och från vilka celler dessa härstammar, då cellerna befinner sig på sin ursprungliga plats (in situ) har vi skapat oss en 'normal mucinprofil' (artikel IV) som sedan kan användas för jämförelse med in vitro modeller, typ vävnads- och cell-kulturer från bovin trakea. Vi har därefter arbetat med att utveckla en vävnadsodlingsmodell där vävnadsbitar från bovin trakea klipps ut och odlas in vitro (artikel V, manuskript). Lågmolekylära radioaktiva byggstenar tillsätts till mediet och cellerna använder dessa för att bygga upp en mångfald molekyler bla högmolekylära glykoproteiner och muciner. Våra resultat antyder att mucinerna syntetiseras långsamt och kräver långa inmärkningstider. Modellen kan i framtiden bla användas för att studera sekretion av muciner i respons till olika stimuli och därmed kunna bidra till ökad kunskap om orsaker och behandling av mukus hypersekretion och dess bakomliggande mekanismer.

• author: Hovenberg, Hans
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Lundbladh, Arne, University hospital of Linköping
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: Respiratory system, Submucosal glands, Goblet cells, Organ culture, Respiratory tract, Mucins, Mucus glycoproteins, Andningsorganen
• pages: 100 pages
• defense location: Sal A, Chemistry Center, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 1996-11-14 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMK-1055-SE
• ISBN: 91 628 2226-8
• 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: Mucosal biology (013212033)
• id: e08775a3-c1fa-40d1-8e1e-567f987eaeaa (old id 28737)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:02:59
• date last changed: 2018-11-21 21:17:57