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Vitamin K ist ein essentieller Cofaktor für die posttranslationale Gamma-Carboxylierung von sog. Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren, Knochenproteinen, Zellwachstum-regulierenden und weiteren Proteinen mit noch unbekannter Funktion. Defekte im Vitamin K-Stoffwechsel führen einerseits zu zwei verschiedenen Formen des familiären Mangels aller Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren (VKCFD1 und 2) und andererseits zur Resistenz oder Hypersensitivität gegenüber Cumarinderivaten, wie Warfarin, die als Vitamin K-Antagonisten zur Antikoagulationstherapie bei thromboembolischen Erkrankungen, aber auch zur Bekämpfung von Ratten und Mäusen eingesetzt werden. Die Aufklärung und Charakterisierung der molekularen Ursachen dieser Erkrankungen wird in dieser Doktorarbeit anhand von Veröffentlichungen dokumentiert. Ausgehend von der Charakterisierung zweier Familien mit dem VKCFD2-Phänotyp, wird die Kartierung des VKCFD2-Locus auf dem kurzen Arm von Chromosom 16 beschrieben. Durch eine systematische Mutationssuche in der ca. 130 Gene umfassenden Kandidatenregion von Chromosom 16 konnte das für diese Erkrankung und die Warfarinresistenz ursächliche Gen ausfindig gemacht werden. Dabei handelt es sich um das Gen für die entscheidende Komponente der Vitamin K-Epoxid-Reduktase (VKORC1), die den Recycling-Prozess von Vitamin K im sog. Vitamin K-Zyklus katalysiert. Die Charakterisierung des VKORC1-Proteins umfasst dessen subzelluläre Lokalisation, den Vergleich orthologer Proteine in verschiedenen Species und die funktionelle Charakterisierung von rekombinant exprimiertem VKORC1. Durch positionsspezifische Mutagenesen und anschließende Expression in humanen Nierenzellen konnten mehrere für die Funktion der VKORC1 relevante Aminosäuren identifiziert werden. Die posttranslationale Modifikation der Vitamin K-abhängigen Proteine wird von der Gamma-Glutamyl-Carboxylase (GGCX) katalysiert. Defekte in diesem Enzym wurden von zwei verschiedenen Arbeitsgruppen als Ursache für die erste Form der VKCFD-Erkrankung nachgewiesen. In dieser Doktorarbeit werden drei weitere, von unserer Arbeitsgruppe identifizierte Mutationen im GGCX-Gen beschrieben, unter denen sich ein nachgewiesener Founder-Effekt an Position 485 des Proteins befindet. Die Arg485Pro-Variante wurde rekombinant in Insektenzellen exprimiert und konnte mittels kinetischer Studien als VKCFD1-verursachende Mutation verifiziert werden.
Aberrant immune responses represent the underlying cause of central nervous system (CNS) autoimmunity, including multiple sclerosis (MS). Recent evidence implicated the crosstalk between coagulation and immunity in CNS autoimmunity. Here we identify coagulation factor XII (FXII), the initiator of the intrinsic coagulation cascade and the kallikrein–kinin system, as a specific immune cell modulator. High levels of FXII activity are present in the plasma of MS patients during relapse. Deficiency or pharmacologic blockade of FXII renders mice less susceptible to experimental autoimmune encephalomyelitis (a model of MS) and is accompanied by reduced numbers of interleukin-17A-producing T cells. Immune activation by FXII is mediated by dendritic cells in a CD87-dependent manner and involves alterations in intracellular cyclic AMP formation. Our study demonstrates that a member of the plasmatic coagulation cascade is a key mediator of autoimmunity. FXII inhibition may provide a strategy to combat MS and other immune-related disorders.
Background
Effective inhibition of thrombosis without generating bleeding risks is a major challenge in medicine. Accumulating evidence suggests that this can be achieved by inhibition of coagulation factor XII (FXII), as either its knock-out or inhibition in animal models efficiently reduced thrombosis without affecting normal hemostasis. Based on these findings, highly specific inhibitors for human FXII(a) are under development. However, currently, in vivo studies on their efficacy and safety are impeded by the lack of an optimized animal model expressing the specific target, that is, human FXII.
Objective
The primary objective of this study is to develop and functionally characterize a humanized FXII mouse model.
Methods
A humanized FXII mouse model was generated by replacing the murine with the human F12 gene (genetic knock-in) and tested it in in vitro coagulation assays and in in vivo thrombosis models.
Results
These hF12\(^{KI}\) mice were indistinguishable from wild-type mice in all tested assays of coagulation and platelet function in vitro and in vivo, except for reduced expression levels of hFXII compared to human plasma. Targeting FXII by the anti-human FXIIa antibody 3F7 increased activated partial thromboplastin time dose-dependently and protected hF12\(^{KI}\) mice in an arterial thrombosis model without affecting bleeding times.
Conclusion
These data establish the newly generated hF12\(^{KI}\) mouse as a powerful and unique model system for in vivo studies on anti-FXII(a) biologics, supporting the development of efficient and safe human FXII(a) inhibitors.