Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are secreted protein hormones that act as morphogens and exert essential roles during embryonic development of tissues and organs. Signaling by BMPs occurs via hetero-oligomerization of two types of serine/threonine kinase transmembrane receptors. Due to the small number of available receptors for a large number of BMP ligands ligand-receptor promiscuity presents an evident problem requiring additional regulatory mechanisms for ligand-specific signaling. Such additional regulation is achieved through a plethora of extracellular antagonists, among them members of the Chordin superfamily, that modulate BMP signaling activity by binding. The key-element in Chordin-related antagonists for interacting with BMPs is the von Willebrand type C (VWC) module, which is a small domain of about 50 to 60 residues occurring in many different proteins. Although a structure of the VWC domain of the Chordin-member Crossveinless 2 (CV2) bound to BMP-2 has been determined by X-ray crystallography, the molecular mechanism by which the VWC domain binds BMPs has remained unclear. Here we present the NMR structure of the Danio rerio CV2 VWC1 domain in its unbound state showing that the key features for high affinity binding to BMP-2 is a pre-oriented peptide loop.
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) sind extrazellulär vorkommende Wachstumsfaktoren und werden der Superfamilie der Transforming Growth Factors β (TGF-β) zugeordnet. Entgegen ihrem Namen spielen sie nicht nur eine Rolle bei der Ausbildung und Regeneration der Knochenmatrix, sondern regulieren bereits während der Embryonalentwicklung zahlreiche Abläufe. Unter anderem sind sie an der Festlegung der Körperachsen und Entwicklung der Organanlagen beteiligt. Später steuern sie das Wachstum von Organen und Geweben und sind schließlich im adulten Organismus für deren Homöostase und Regeneration verantwortlich. Bei fast allen Mitgliedern der TGF-β Superfamilie erfolgt die Signalbildung nach derzeitigem Kenntnisstand durch die Bindung an transmembrane Serin/Threonin-Kinaserezeptoren, die in zwei Untergruppen unterteilt werden können. Dabei werden von einem Liganden jeweils zwei Typ I- und zwei Typ II-Rezeptoren gebunden, wodurch ein aktiver Komplex entsteht, der im Inneren der Zelle eine Signalkaskade auslöst.
Um die vielseitigen Aufgaben der BMPs spezifisch vermitteln zu können, gibt es zahlreiche Mechanismen, die Signalbildung stringent neben der Ligand-Rezeptor-Interaktion zu regulieren. Die Small Mothers Against Decapentaplegic (Smad)-Signalkaskade im Zellinneren wird beispielsweise durch die Interaktion der inhibitorischen Smads mit rezeptor-regulierten Smads oder durch den proteasomalen Abbau der rezeptor-regulierten Smads durch die Bindung von Ubiquitin-Ligasen der Smurf-Familie beeinflusst. Auch auf Membranebene besteht die Möglichkeit der negativen Signalmodulation durch Pseudorezeptoren oder der Verstärkung der Signalbildung durch positive Effektoren wie beispielsweise aktivitätssteigernde Co-Rezeptoren.
Ein Charakteristikum der TGF-β Superfamilie stellt jedoch die Vielzahl an sekretierten, löslichen Modulatorproteinen dar. Die meist glykosylierten Proteine üben, bis auf wenige Ausnahmen, einen antagonistischen Effekt auf die BMPs aus. Bei dem BMP-spezifischen Modulatorprotein Twisted gastrulation handelt es sich um ein extrazelluläres Glykoprotein, das im Gegensatz zu den meisten anderen BMP-Modulatoren jedoch eine duale Funktion als Besonderheit aufweist. Es zeigt zum einen eine anti-BMP-Wirkung, indem es den BMP-inhibierenden Einfluss von Chordin durch Bildung eines stabilen ternären Komplexes verstärkt; andererseits kann Twisted gastrulation in Gegenwart spezifischer Metalloproteasen eine proteolytische Spaltung von Chordin und die anschließende Freisetzung von aktivem BMP fördern und so eine BMP-Aktivität vermittelnde Wirkung aufweisen. Twisted gastrulation hat keine beziehungsweise nur eine äußerst geringe Homologie zu anderen (Modulator)Proteinen. Um daher den komplexen Wirkmechanismus detailliert molekular beschreiben zu können, ist die Aufklärung der Struktur /Funktions-beziehungen essentiell.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten unterschiedliche Expressionsstrategien für die rekombinante Herstellung von Twisted gastrulation etabliert werden, welche eine umfassende Charakterisierung des Proteins in vitro ermöglichen. Erste Kristallisationsversuche von isoliertem Twisted gastrulation für die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur mittels Röntgenbeugung verliefen ohne Erfolg, allerdings gelang die Präparation stabiler ternärer Proteinkomplexe für weiterführende Kristallisationsansätze. Hochdurchsatzverfahren für die Expression und Interaktionsanalyse erlauben zudem die Untersuchung einer Vielzahl von Twisted gastrulation-Proteinvarianten. Auf diese Weise konnten Aminosäuren identifiziert werden, die an der Wechselwirkung von Twisted gastrulation mit seinem Interaktionspartner BMP 2 beteiligt sind. Dies ermöglichte eine detaillierte Lokalisation des Bindeepitops im N-terminalen Bereich von Twisted gastrulation. Dabei konnte auch gezeigt werden, dass die Glykosylierung von Twisted gastrulation für die Wechselwirkung mit BMP-2 von Bedeutung ist.
Eine experimentelle Strukturanalyse von Twisted gastrulation für die detaillierte Aufklärung des Mechanismus der Interaktion mit BMP-2 und anderen Modulatorproteinen bleibt allerdings weiterhin aufgrund der Einzigartigkeit dieses Modulatorproteins zwingend erforderlich. Für eine Fortsetzung der Untersuchungen bietet der stabile ternäre Komplex eine gute Voraussetzung in Hinblick auf weitere Kristallisationsansätze.
Interleukin-4 (IL-4) plays a key role in atopic diseases. It coordinates T-helper cell differentiation to subtype 2, thereby directing defense toward humoral immunity. Together with Interleukin-13, IL-4 further induces immunoglobulin class switch to IgE. Antibodies of this type activate mast cells and basophilic and eosinophilic granulocytes, which release pro-inflammatory mediators accounting for the typical symptoms of atopic diseases. IL-4 and IL-13 are thus major targets for pharmaceutical intervention strategies to treat atopic diseases. Besides neutralizing antibodies against IL-4, IL-13, or its receptors, IL-4 antagonists can present valuable alternatives. Pitrakinra, an Escherichia coli-derived IL-4 antagonist, has been evaluated in clinical trials for asthma treatment in the past; however, deficits such as short serum lifetime and potential immunogenicity among others stopped further development. To overcome such deficits, PEGylation of therapeutically important proteins has been used to increase the lifetime and proteolytic stability. As an alternative, glycoengineering is an emerging strategy used to improve pharmacokinetics of protein therapeutics. In this study, we have established different strategies to attach glycan moieties to defined positions in IL-4. Different chemical attachment strategies employing thiol chemistry were used to attach a glucose molecule at amino acid position 121, thereby converting IL-4 into a highly effective antagonist. To enhance the proteolytic stability of this IL-4 antagonist, additional glycan structures were introduced by glycoengineering utilizing eucaryotic expression. IL-4 antagonists with a combination of chemical and biosynthetic glycoengineering could be useful as therapeutic alternatives to IL-4 neutralizing antibodies already used to treat atopic diseases.