TY - THES A1 - Scheide-Nöth, Jan-Philipp T1 - Activation of the Interleukin-5 receptor and its inhibition by cyclic peptides T1 - Aktivierung des IL-5 Rezeptors und dessen Inhibierung durch zyklische Peptide N2 - The cytokine interleukin-5 (IL-5) is part of the TH2-mediated immune response. As a key regulator of eosinophilic granulocytes (eosinophils), IL-5 controls multiple aspects of eosinophil life. Eosinophils play a pathogenic role in the onset and progression of atopic diseases as well as hypereosinophilic syndrome (HES). Here, cytotoxic proteins and pro-inflammatory mediators stored in intracellular vesicles termed granula are released upon activation thereby causing local inflammation to fight the pathogen. However, if such inflammation persists, tissue damage and organ failure can occur. Due to the close relationship between eosinophils and IL-5 this cytokine has become a major pharmaceutical target for the treatment of atopic diseases or HES. As observed with other cytokines, IL-5 signals by assembling a heterodimeric receptor complex at the cell surface in a stepwise mechanism. In the first step IL-5 binds to its receptor IL-5Rα (CD125). This membrane-located complex then recruits the so-called common beta chain βc (CD131) into a ternary ligand receptor complex, which leads to activation of intracellular signaling cascades. Based on this mechanism various strategies targeting either IL-5 or IL-5Rα have been developed allowing to specifically abrogate IL-5 signaling. In addition to the classical approach of employing neutralizing antibodies against IL 5/IL-5Rα or antagonistic IL-5 variants, two groups comprising small 18 to 30mer peptides have been discovered, that bind to and block IL-5Rα from binding its activating ligand IL-5. Structure-function studies have provided detailed insights into the architecture and interaction of IL-5IL-5Rα and βc. However, structural information for the ternary IL-5 complex as well as IL-5 inhibiting peptides is still lacking. In this thesis three areas were investigated. Firstly, to obtain insights into the second receptor activation step, i.e. formation of the ternary ligand-receptor complex IL-5•IL-5Rα•βc, a high-yield production for the extracellular domain of βc was established to facilitate structure determination of the ternary ligand receptor assembly by either X-ray crystallography or cryo-electron microscopy. In a second project structure analysis of the ectodomain of IL-5Rα in its unbound conformation was attempted. Data on IL-5Rα in its ligand-free state would provide important information as to whether the wrench-like shaped ectodomain of IL-5Rα adopts a fixed preformed conformation or whether it is flexible to adapt to its ligand binding partner upon interaction. While crystallization of free IL-5Rα failed, as the crystals obtained did not diffract X rays to high resolution, functional analysis strongly points towards a selection fit binding mechanism for IL-5Rα instead of a rigid and fixed IL-5Rα structure. Hence IL-5 possibly binds to a partially open architecture, which then closes to the known wrench-like architecture. The latter is then stabilized by interactions within the D1-D2 interface resulting in the tight binding of IL-5. In a third project X-ray structure analysis of a complex of the IL-5 inhibitory peptide AF17121 bound to the ectodomain of IL-5Rα was performed. This novel structure shows how the small cyclic 18mer peptide tightly binds into the wrench-like cleft formed by domains D1 and D2 of IL-5Rα. Due to the partial overlap of its binding site at IL-5Rα with the epitope for IL-5 binding, the peptide blocks IL-5 from access to key residues for binding explaining how the small peptide can effectively compete with the rather large ligand IL-5. While AF17121 and IL-5 seemingly bind to the same site at IL-5Rα, functional studies however showed that recognition and binding of both ligands differ. With the structure for the peptide-receptor complex at hand, peptide design and engineering could be performed to generate AF17121 analogies with enhanced receptor affinity. Several promising positions in the peptide AF17121 could be identified, which could improve inhibition capacity and might serve as a starting point for AF17121-based peptidomimetics that can yield either superior peptide based IL-5 antagonists or small-molecule-based pharmacophores for future therapies of atopic diseases or the hypereosinophilic syndrome. N2 - Das Zytokin Interleukin-5 (IL-5) nimmt eine zentrale Rolle im Zellzyklus von eosinophlien Granulozyten (Eosinophile) ein, indem es beispielsweise die Differenzierung, Aktivierung und Apoptose dieser Zellen steuert. Als Immunantwort auf Pathogene kommt es zur Aktivierung von Eosinophilen. Dieses führt zur Freisetzung von in intrazellulären Vesikeln (Granula) gespeicherten zytotoxischen Proteinen und proinflammatorischen Mediatoren, wodurch lokale Entzündungen verursacht werden, um den Erreger zu bekämpfen. Fehlregulationen (übermäßige Produktion) von eosinophilen Granulozyten können zu Gewebeschäden und Organversagen führen, wenn diese über einen längeren Zeitraum bestehen, und sind insbesondere mit dem Ausbruch und Fortschreiten von atopischen Erkrankungen sowie dem Hypereosinophilen Syndrom (HES) assoziiert. IL-5 muss, um die Eosinophilen aktivieren zu können, an einen heterodimeren Transmembranrezeptor binden. Im ersten Schritt bindet IL-5 an seinen zytokin-spezifischen Rezeptor IL-5Rα (CD125). Dieser membrangebundene Komplex rekrutiert dann die sogenannte gemeinsame („common“) beta-Kette βc (CD131) in einen ternären Liganden Rezeptorkomplex, was zur Aktivierung von intrazellulären Signalkaskaden führt. Aufgrund dieser engen Beziehung zwischen Eosinophilen und IL-5 ist dieses Zytokin in den Fokus der pharmazeutischen Industrie für die Behandlung atopischer Erkrankungen oder HES gerückt. Bisherige Therapien basieren auf der Unterdrückung der Immunreaktion durch Corticosteroide, neutralisierende gegen IL 5/IL-5Rα gerichtete Antikörper oder antagonistische IL-5 Varianten. Eine alternative Therapiemöglichkeit stellen IL-5 inhibierende Peptide dar, welche an IL 5Rα binden und hierbei die Bindung des aktivierenden Liganden (IL-5) hemmen. Derzeit stehen Strukturen vom binären IL-5IL-5Rα Komplex und von βc im ungebundenen Zustand zur Verfügung. Zudem konnten wichtige Wechselwirkungen im binären Komplex identifiziert werden. Allerdings sind vom ternären IL-5 Komplex und den IL-5 inhibierenden Peptiden keinerlei Strukturdaten bekannt. Um im Rahmen dieser Arbeit Einblicke in den zweiten Rezeptoraktivierungsschritt, d.h. die Bildung des ternären Ligand-Rezeptor Komplexes IL-5•IL-5Rα•βc, zu erhalten, wurde ein Herstellungsverfahren für die extrazelluläre Domäne von βc etabliert. Zusammen mit den optimierten Reinigungsverfahren für IL-5 und IL 5Rα konnte hiermit eine gute Grundlage für zukünftige Strukturanalysen des ternären IL-5 Komplexes geschaffen werden. In einem zweiten Projekt wurde versucht, die Struktur der Ektodomäne von IL 5Rα in ihrem freien Zustand aufzuklären. Diese Strukturdaten würden wichtige Informationen darüber liefern, ob die bisher bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur der IL-5Rα Ektodomäne in einer rigiden, vorgebildeten Konformation vorliegt, oder ob die Architektur der Ektodomäne bei Bindung flexibel an ihren Liganden angepasst wird. Während die Kristallisation von IL-5Rα ohne einen Bindepartner fehlschlug, deuten neue Funktionsanalysen auf einen „selection fit binding mechanism“ für IL-5Rα hin. Der relativ große Ligand IL-5 bindet daher sehr wahrscheinlich an eine teilweise „offene“ Rezeptorkonformation, die erst nach Bindung die bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur annimmt. In einem dritten Projekt wurde eine Strukturanalyse des Komplexes des IL-5 inhibierenden AF17121 Peptids gebunden an die Ektodomäne von IL-5Rα durchgeführt. Anhand dieser neuen Struktur lässt sich erklären, wie das kleine zyklische 18mer Peptid effektiv mit dem wesentlich größeren Liganden IL-5 um die Bindung am Rezeptor konkurrieren kann. Aufgrund der Überlappung der Bindestellen von AF17121 und IL-5 am Rezeptor IL 5Rα blockiert das Peptid den Zugang von IL-5 an seinen Rezeptor. Obwohl AF17121 und IL-5 in einem ähnlich Strukturbereich in IL-5Rα binden, zeigen funktionelle Studien, dass sich Erkennung und Bindung beider Liganden unterscheiden. Mit der vorliegenden Struktur vom Peptid Rezeptor Komplex konnte ein strukturbasiertes Peptid-Design durchgeführt und so AF17121 Varianten mit verbesserter Rezeptorbindung erzeugt werden. Dabei wurden mehrere Positionen im Peptid AF17121 identifiziert, die dessen Inhibierungseigenschaften möglicherweise verbessern. Somit konnte ein weiterer Grundstein für die Entwicklung von effektiveren Peptid-basierten IL 5 Antagonisten oder sogar nicht-peptidischen Inhibitoren für zukünftige Therapieansätze gegen atopische Erkrankungen oder HES gelegt werden. KW - Interleukin 5 KW - Eosinophiler Granulozyt KW - atopic diseases KW - eosinophil KW - interleukin-5 signaling KW - peptide-based interleukin-5 inhibitor KW - peptide engineering KW - receptor KW - functional studies KW - structure analysis Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-182504 ER - TY - THES A1 - Patiño Gonzalez, Edwin T1 - Functional Studies and X-Ray Structure Analysis of Human Interleukin-5 Receptor Alpha and Human Interleukin-5 Complex N2 - Interleukin-5 (IL-5) is a member of the hematopoietic class I cytokines and is specifically involved in eosinophil activation. IL-5 plays an important role in disease conditions such as allergic asthma and other hypereosinophilias, which are characterized by highly increased levels of eosinophils in peripheral blood and tissues. The IL-5 receptor is a heterodimer consisting of a binding alpha subunit (IL- 5Rα) and a common beta subunit (IL-5Rβ). This IL-5Rβ is shared with the IL-3 and GM-CSF receptors. The IL-5Rα is required for ligand-specific binding, whereas the association of the IL-5Rβ subunit triggers intracellular signal transduction. Previous studies have described the crystallographic structure of human IL-5 (hIL-5), as well as that of the common IL-5Rβ chain (IL-5Rβc) However, no experimental structural data are yet available for the interaction of the high-affinity IL-5 receptor IL-5Rα with its ligand IL-5. Therefore, this thesis had the principle objective to gain new insights into the basis of this important agonist-receptor interaction. In particular, data on the recombinant expression, purification and preparation of the binary complex of hIL-5 bound to the receptor ectodomain of hIL-5Rα are shown, as well as the subsequent crystal structure analysis of the binary ligand-receptor (hIL-5Rα/hIL-5) complex. Both proteins were expressed in an Escherichia coli expression system, purified to homogeneity, and crystallized. However, since the initial analysis of these crystals did not show any X-ray diffraction, each step of the preparation and crystallization procedure had to be stepwise optimized. Several improvements proved to be crucial for obtaining crystals suitable for structure analysis. A free cysteine residue in the N-terminal domain of the hIL-5Rα ectodomain protein was mutated to alanine to remove protein heterogeneity. In addition, hIL-5 affinity chromatography of the receptor protein proved to be absolutely crucial for crystal quality. Additive screening using the initial crystallization condition finally yielded crystals of the binary complex, which diffracted to 2.5Å resolution and were suitable for structure analysis. The preliminary structure data demonstrate a new receptor architecture for the IL-5Rα ligand-binding domain, which has no similarities to other cytokine class I receptor structures known so far. The complex structure demonstrates that the ligand-binding region of human IL-5Rα is dispersed over all three extracellular domains, and adopts a binding topology in which the cytokine recognition motif (CRM) needs the first Fn-III domain of the human IL-5Rα to bind the ligand. In a second project, a prokaryotic expression system for murine IL-5 (mIL-5) was established to allow the production of mIL-5 and mIL-5 antagonist that should facilitate functional studies in mice. Since the expression of mIL-5 in E. coli had never been successful so far, a fusion protein system was generated expressing high yields of mIL-5. Chemical cleavage with cyanogen bromide (CNBr) was used to release mIL-5 monomers, which were subsequently purified and refolded. This technique yielded an active murine IL-5 dimer as confirmed by TF-1 cell proliferation assays. The protein was crystallized and the structure of mIL-5 could be determined at 2.5Å resolution. The molecular structure revealed a symmetrical left-handed four helices bundle dimer similar to human IL-5. Analysis of the structure-/function relationship allowed us to design specific mIL-5 antagonist molecules, which are still under examination. Taken together, these findings provide further insights in the IL-5 and IL-5R interaction which may help to further understand and depict this and other cytokine-receptor interactions of similar architecture, e.g. the IL-13 ligand-receptor system. Ultimately, this may represent another piece of puzzle in the attempts to rationally design and engineer novel IL-5-related pharmacological therapeutics. N2 - Interleukin-5 (IL-5) ist ein Mitglied der Gruppe der hematopoetischen Zytokine der Klasse I und spielt eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung von eosinophilen Granulozyten. IL-5 hat damit ein wichtige pathophysiologische Funktion bei der Entstehung von Krankheiten wie allergischem Asthma und anderen Hypereosinophilien, die alle durch eine stark erhöhte Zahl von Eosinophilen in peripherem Blut und Geweben charakerisiert sind. Der IL-5 Rezeptor ist ein Heterodimer, der aus einer alpha-Untereinheit (IL-5Rα) und einer mit den IL-3 und GM-CSF Rezeptoren gemeinsamen beta-Untereinheit (IL-5Rβ) besteht. Der IL-5Rα ist für die spezifische Liganden-Bindung notwendig, während der mit der IL-5Rβ Untereinheit assozierte Komplex die intrazelluläre Signaltransduktion einleitet. In früheren Studien konnte bereits die Kristallstruktur des menschlichen IL-5 (hIL-5) und der gemeinsamen IL-5Rβ-Kette (IL-5Rβc) aufgeklärt werden. Allerdings liegen bisher noch keine experimentellen Strukturdaten für die Interaktionen des hochaffinen IL-5 Rezeptor IL-5Rα mit seinem Ligand IL-5 vor. Deshalb war es die Hauptzielsetzung dieser Arbeit, neue Einblicke in die molekulare Basis der Interaktion von IL-5 Rezeptor und Agonisten zu gewinnen. Im Einzelnen beschreibe ich in dieser Arbeit die rekombinante Expression, Aufreinigung und Herstellung des binären Komplexes von der hIL-5 Bindung an die extrazellulären Domäne des Rezeptors hIL-5Rα sowie die anschließende kristallographische Strukturanalyse dieses binären Ligand-Rezeptor-Komplexes (hIL-Rα/hIL-5). Beide Proteine wurden in einem Escherichia coli-Expressionssystem rekombinant hergestellt, bis zur Homogenität gereinigt und anschließend kristallisiert. Die Analysen dieser ersten Kristalle zeigten nicht die gewünschte Beugung der Röntgenstrahlung, weshalb in allen anschließenden Schritten eine schrittweise Optimierung der Produktions- und Kristallisationsbedingungen durchgeführt wurde. Als Ergebnis dieser Optimierungsstrategie konnten schließlich Kristalle erhalten werden, die für eine Strukturanalyse geeignet waren. Ein ungepaartes Cystein in der N-terminalen Domäne des extrazellulären hIL-5Rα-Protein wurde durch Alanin ersetzt, um so die Protein-Heterogenität durch Cystein-Oxidationsprodukte zu verringern. Die affinitätschromatographische Aufreinigung des Rezeptorproteins war ebenfalls entscheidend, um eine hohe Kristallqualität zu erreichen. Die Verwendung verschiedener Additivsubstanzen zusätzlich zu der initialen Kristallisationsbedingungen führte letztlich zur Bildung für die Strukturanalyse geeigneter Einzelkristallen des binären Komplexes (hIL-5Rα/hIL-5). Ihre Messung ergab Beugungsdaten mit einer maximalen Auflösung von 2.5Å. Eine erste Strukturanalyse zeigt klar, dass die Liganden-bindende Domäne des IL-5Rα Rezeptors eine bisher unbekannte, neuartige Rezeptor-Architektur aufweist, die keinerlei Ähnlichkeit zu bisher bekannten Zytokinrezeptor-strukturen der Klasse I hat. Die Struktur des Komplexes zeigt zudem, dass das Liganden-bindende Epitop von IL-5Rα über alle drei extrazelluläre Domänen verteilt ist und eine Topologie aufweist, in der zusätzlich zu dem Zytokin-Erkennungsmotiv (CRM) die erste Fn-III Domäne von hIL-5Rα benötigt wird, um den Liganden hochaffin binden zu können. In einem zweiten Projekt wurde ein prokaryotisches Expressionssystem für murines Interleukin-5 (mIL-5) entwickelt, welches die Produktion von mIL-5 und eines mIL-5 Antagonisten für funktionelle Studien in einem Mausmodell ermöglichen sollte. Da eine rekombinante Produktion von mIL-5 in E.coli bisher nicht erfolgreich war, wurde ein Fusionsproteinsystem entwickelt, welches die Produktion großer Mengen von mIL-5 Protein erlaubt. Es wurde eine chemische Spaltung mit Cyanbromid (CNBr) durchgeführt, um das Monomer aus dem Fusionsprotein freizusetzen. Das so erhaltene mIL-5 Monomer wurde gereinigt und renaturiert. Nach Rückfaltung zeigt das dimere Protein in TF-1 Zellen eine mit den Literaturwerten vergleichbare biologische Aktivität. Das so erhaltene mIL-5 Protein wurde kristallisiert und mittels Röntgenbeugung analysiert. Auf diese Weisen konnten Beugungsdaten von mIL-5 Kristallen mit einer maximalen Auflösung von 2.5Å erhalten werden. Die Struktur weist ähnlich wie das humane IL-5 ein symmetrisches Vier-Helix Bündel auf. Die Struktur-/Funktionsanalyse ermöglichte daraufhin, definierte mIL-5-Antagonisten zu entwickeln, die sich derzeit noch in der Untersuchung befinden. Zusammengefasst tragen die hier präsentierten Ergebnisse dazu bei, die molekularen Grundlagen der spezifischen IL-5 und IL-5R Bindung sowie Interaktionen ähnlichen Liganden-Rezeptor-Typen zu verstehen. Letztendlich besteht die Hoffnung, dass diese und ähnliche Arbeiten ein weiteres wichtiges Puzzlestück darstellen bei dem Versuch, neue und innovative pharmakologische Therapieansätze zu entwickeln, die bei dem für die Pathophysiologie von Asthma wichtigen Schlüsselmolekül IL-5 angreifen. KW - Functional Studies KW - Interleukin-5 KW - structure analysis KW - Strukturanalyse KW - Interleukin-5 KW - Functional Studies KW - Interleukin-5 KW - structure analysis Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27319 ER -