Teilprojekt A1 (Vestweber): Untersuchungen zur Regulation, Funktion und physiologischen Bedeutung der
Liganden endothelialer Selektine
Projektleiter: | Prof. Dr. Vestweber, Dietmar |
Dienstanschrift: | Institut für Zellbiologie, ZMBE Von-Esmarch-Str. 56, 48149
Münster |
Telefon: | (0251)
835 8617 |
Telefax: | (0251)835 8616 |
E-Mail: | vestweb@uni-muenster.de |
1. |
Vorarbeiten zur ersten Förderperiode
Als Vorarbeit zur letzten Förderperiode haben wir den E-selektin-Liganden ESL-1 (150 kD) durch
Affinitätsisolierung mit Hilfe eines E-selektin-IgG Fusionsproteins (1) auf myeloiden
Zellen der Maus identifiziert (2), gereinigt und nach Mikrosequenzierung kloniert (3). Mit Hilfe
rekombinanter ESL-IgG Fusionsproteine und polyklonaler anti-ESL-1 Antikörper konnte
die Funktion von ESL-1 als E-Selektinligand demonstriert werden: E-Selektin transfektierte
Zellen binden spezifisch an ESL-IgG (immobilisiert auf Plastik) und anti-ESL-1
Antikörper inhibieren die Bindung von neutrophilen Granulozyten an E-Selektin
exprimierende Endothelzellen (3). Wie die anderen Liganden für L- und P-Selektin
muß auch ESL-1 durch eine Fukosyl-transferase modifiziert werden, um als
Selektin-Ligand zu funktionieren. Das Proteingerüst von ESL-1 zeigt eine sehr breite
Gewebeverteilung (z.B. auch in Fibroblasten und Epithelzellen), ist aber nur auf myeloiden
Zellen in der Lage an E-Selektin zu binden (also nur dort "funktionell" glykosyliert). Wie bei
den L- und P-Selektin-Liganden hat ESL-1 auf anderen Zelltypen wahrscheinlich noch eine
andere Funktion. Neben ESL-1 wurde ein 130 kD Glykoprotein (Dimer 230 kD)
auf neutrophilen Granulozyten der Maus als Ligand sowohl von E- als auch von P-Selektin
durch Affinitätsisolierung mit den entsprechenden Selektin-IgG Fusionsproteinenen
identifiziert (4). Dieses Protein konnten wir in der ersten Förderperiode als PSGL-1
identifizieren (5). Ein weiterer Ligand mit einem Molekulargewicht von 160 kD
(reduziert 80 kD) wurde mit P-Selektin-IgG isoliert. Die Identität dieses
Moleküls ist noch ungeklärt. |
2. |
Ausgangsfragestellungen
Hauptziele des Vorantrages waren Untersuchungen:
- zur Zelladhäsionsfunktion von ESL-1,
- zur möglichen Funktion der Signaltransduktion von ESL-1 und
- zur Frage, welche Liganden für E-selectin auf Lymphozyten zu identifizieren sind.
Auf Grund der weiter unten ausführlich geschilderten technischen Schwierigkeiten war es bisher
unmöglich, brauchbare monoklonale Antikörper gegen ESL-1 zu generieren. Deshalb konnten bisher
nur Teilbereiche der Zielsetzungen 1) und 2) bearbeitet werden. Da sich bei der Bearbeitung der
Fragestellung 3) unerwartet eine Vielzahl von interessanten Ergebnissen und neuen
Fragestellungen ergab, wurde dieser Bereich in stärkerem Ausmaß als
ursprünglich geplant bearbeitet. Dabei wurde dieser Bereich ausgedehnt auf die Frage wie
Lymphozyten und andere Leukozyten mit endothelialen Selektinen in vitro und in vivo
interagieren und welche Rolle dabei PSGL-1 und moegliche andere Liganden spielen. |
3. |
Ergebnisse
3.1 |
Ergebnisse aus der ersten Förderperiode zu ESL-1:
Trotz intensiver Anstrengungen (12 Fusionen), ist es uns nicht gelungen, mAk gegen Maus ESL-1 auf
klassischem Wege herzustellen. Ratten wurden zu diesem Zweck mit unterschiedlichen
ESL-IgG Fusionsproteinen immunisiert. Obwohl in jedem Fall Rattenseren mit einem, wenn
auch geringen, Titer an anti-ESL-1 Antikörpern erhalten wurden, war es nicht
möglich Hybridome zu etablieren, die anti ESL-1 Antikörper produzierten. Wir
vermuten, daß die starke Verwandtschaft von Ratten und Maus ESL-1 auf zweifache
Weise der Herstellung von Antikörpern hinderlich ist. Zum einen steht diese hohe
Verwandtschaft der Immunogenität des Moleküls entgegen (daher die geringen
Antikörpertiter), zum anderen könnte es sein, daß die hohe Expressionsdichte
von ESL-1 im Golgi der Hybridomazellen zu Problemen bei der Sekretion von anti-ESL-1
Antikörpern führt. Auf Grund dieser Schwierigkeiten entschlossen wir uns zur
Zusammenarbeit mit der Firma Morphosys in München, um unter Anwendung des
"phage-display" Verfahrens rekombinante scFv-Antikörper (single chain
Fv-Fragmente) gegen ESL-1 herzustellen. Es wurden eine Reihe von scFv-Fragmenten
selektioniert, von denen zwei eine Affinität aufweisen, die ausreichend ist um ESL-1 zu
immunpräzipitieren. In ersten Vorexperimenten stellte sich heraus, daß diese in E.
coli produzierten rekombinanten Antikörperfragmente zwar gut an ESL-1 binden,
daß sie aber nur in Techniken einsetzbar sind, in denen Detergenzien verwandt werden,
die unspezifische Bindung ("stickyness") verhindern. In
Immunofluoreszenzexperimen-ten an intakten Zellen ist die unspezifische Bindung nicht
akzeptabel, wie sich mit Kontroll-scFv Fragmenten zeigte. Wir führen dies darauf
zurück, daß ein zu hoher Anteil der scFv-Fragmente möglicherweise nicht
ausreichend nativ gefaltet ist. Auf Grund der hohen unspezifischen Bindung an Zellen haben wir
die Antikörper nicht in Adhäsionsassays eingesetzt. Um das Problem der
unzureichenden nativen Faltung der rekombinanten Antikörperfragmente zu lösen,
wurden die cDNAs der Antikörper von uns in eukaryontische Expressions-Vektoren
umkloniert und sowohl in CHO Zellen als auch in COS-7 Zellen zur Expression gebracht.
Während Kontroll scFv sich auf diese Weise gut herstellen liessen, war die Ausbeute der
anti-ESL-1 scFv-Fragmente fast null. Wir nehmen an, daß die rekombinanten
Antikörper an das endogene ESL-1 im Golgi der transfektierten Zellen bindet und
dadurch Sekretionsprobleme auftreten. In der Tat konnten wir zeigen, daß beide anti
ESL-1 scFv-Fragmente Maus, Hamster und Human ESL-1 gleich gut in
Immunpräzipitationen erkennen. Es soll nun getestet werden, ob diese rekombinanten
Antikörper im Bacculovirus-System exprimiert werden können. Wir werden dies
beginnen, sobald wir wissen, daß die Antikörper- Fragmente das endogene ESL-1
der Fliegenzellen nicht erkennen. Wegen der hier ausführlich geschilderten technischen
Probleme konnten die ursprünglich geplanten funktionellen Experimente zu ESL-1 bisher
nicht durchgeführt werden. Insbesondere die geplanten in vivo Experimente waren nicht
möglich, da bisher nur polyklonale Kaninchen-Antiseren mit geringem Titer zur
Verfügung stehen. Auch die in vitro Adhäsionstests unter Flussbedingungen (Punkt
"1a") und die Experimente zur Signaltransduktionsfunktion (Punkt "2a")
konnten nur in preliminärer Form mit polyklonalen Antikörpern
durchgeführt werden. (Daten zur Signaltransduktion werden weiter unten zusammen mit
PSGL-1 dargestellt). Um die gewonnen Ergebnisse zur Publikationsreife zu bringen, sind
monoklonale Antikörper gegen ESL-1 unumgänglich. Trotz der limitierten
Verfügbarkeit affinitätsgereinigter Antikörper gegen ESL-1 ist es jedoch
gelungen, die subzelluläre Lokalistion von ESL-1 mit Hilfe der Immunogold-Markierung
zu analysieren. Das Ratten Homologe zu ESL-1, MG160, wurde in neuronalen Zellen als
Golgi-Molekül beschrieben. Für ESL-1 konnten wir unter Anwendung einer Reihe
unterschiedlicher Techniken zweifelsfrei nachweisen, daß es zwar ebenfalls stark im Golgi
angereichert ist, daß es sich aber auch klar auf der Zelloberfläche sowohl von
myeloiden Zellen (neutrophile Granulozyten) als auch von lymphozytären Zellen
detektieren lässt (6). Mit Hilfe von Immunogoldmarkierung und
Raster-Elektronenmikroskopie, die in Zusammenarbeit mit Dr. Schwarz am MPI in
Tübingen durchgeführt wurde, konnten wir zeigen, daß ESL-1 auf den
Mikrovilli von Lymphozyten angereichert ist (80% der Markierung) und nur schwach auf dem
restlichen, planaren Zellkörper zu finden ist (20% der Markierung) (6). Dies
bestätigt, daß ESL-1 für den Prozess der Kontaktaufnahme zwischen
Leukozyten und Endothelzellen gut erreichbar ist. Auch PSGL-1 und L-Selektin sind auf
Mikrovilli konzentriert, allerdings sind sie im Gegensatz zu ESL-1 auf den Spitzen der
Mikrovilli markierbar, während ESL-1 entlang der Mikrovilli zu finden ist. Dies
könnte bedeuten, daß ESL-1 eine Funktion ausübt, die erst unmittelbar nach
der ersten Zellkontaktvermittlung via L-Selektin oder PSGL-1 zum tragen kommt. Das humane
Homolog zu ESL-1 wurde kloniert. Die Sequenzidentität zu Maus ESL-1 beträgt
98%. Da etwa zeitgleich das humane Homolog zu Ratten MG160 veröffentlicht wurde
und die Sequenz identisch mit humanem ESL-1 ist, haben wir unsere Daten nicht publiziert. Auf
Grund der grossen Probleme, mAk gegen Maus ESL-1 herzustellen, wurde bisher davon
abgesehen, die cDNA für human ESL-1 dazu zu benutzen, um Antikörper gegen
human ESL-1 herzustellen. Die quantitative Analyse der Bindung von ESL-1 und PSGL-1 an E-
und P-selectin ("Surface Plasmon Resonance") sind noch nicht abgeschlossen, da die
Resourcen sehr stark auf die weiter unten aufgeführten funtionellen Analysen zum
Selektinliganden PSGL-1 konzentriert wurden. Die weitere Bearbeitung der quantitativen
Analyse der Selektin-Liganden-Bindung wird zur Zeit mit Mitteln des Instituts
durchgeführt. Ein anderer Aspekt zur biochemischen Analyse der Interaktion von ESL-1
mit E-selectin bezog sich auf die Frage, warum ESL-1 mit hoher Spezifität an E-selectin
bindet, obwohl E-selectin nur Zucker-Reste erkennt. In Transfektionsexperimenten mit
verschiedenen a(1,3)-Fukosyltransferasen (FucT) in CHO Zellen
konnten wir zeigen, daß ESL-1 in a(1,3)-Stellung
fukosyliert werden muß um an E-Selektin zu binden. Interessanterweise stellte sich heraus,
daß die Fukosyltransferasen IV und VII selektiv nur ESL-1, nicht aber andere
Glykoproteine fukosylieren (7). Im Gegensatz dazu konnte die Fukosyltransferase III eine
große Zahl von Glykoproteinen glykosylieren, die dadurch in die Lage versetzt wurden,
mit hoher Affinität an E-Selektin zu binden. Die Fuc-TVII und Fuc-TIV sind die beiden
einzigen in myeloiden Zellen exprimierten a(1,3)-FucTs. Der
Mechanismus und die Determinanten, die diese selektive und funtionell relevante a(1,3)-Fukosylierung von ESL-1 ermöglichen, soll in Zukunft
untersucht werden. Um zu testen, welche der beiden FucT in neutrophilen Granulozyten
für die Fukosylierung von ESL-1 und PSGL-1 verantwortlich ist, wurden neutrophile
Granulozyten von Mäusen untersucht, die defizient sind für entweder eines der
beiden Gene oder für beide Gene von Fuc-TIV oder Fuc-TVII (hergestelt von John Lowe,
Ann Arbor, USA). Wir konnten zeigen, daß Fuc-TVII essentiell ist für die
Fukosylierung und damit für die Selektinbindung von PSGL-1, während Fuc-TIV
wesentlich ist für die Selektinbindung von ESL-1 (Huang, Zöllner, Moll, Maly,
Thall, Lowe and Vestweber: P-selectin glycoprotein ligand-1 and E-selectin ligand-1 are
differentially modified by fucosyltransferases Fuc-TIV and Fuc-TVII in mouse neutrophils. Zur
Veröffentlichung eingereicht) |
3.2 |
Ergebnisse aus der ersten Förderperiode zu PSGL-1:
Um zweifelsfrei zu zeigen, daß der von uns auf Maus myeloiden Zellen
identifizierte 130 kD (Dimer 230 kD) Ligand für E-selectin und P-selectin
das Maus-Homologe zu human PSGL-1 ist, haben wir polyklonale und monoklonale
Antikörper (mAk) gegen Maus PSGL-1 hergestellt. Mit diesen Antikörpern
konnten wir einerseits den 130 kD Liganden als PSGL-1 identifizieren (5) und
andererseits die Funktion von Maus PSGL-1 in vitro und vor allem in vivo untersuchen. PSGL-1
war ursprünglich auf humanen myeloiden Leukozyten durch Expressionsklonierung
identifiziert worden und Maus PSGL-1 wurde mit Hilfe der humanen cDNA durch
Hybridisierung kloniert. Wir haben die cDNA von Maus PSGL-1 mit Hilfe der publizierten
Sequenz durch PCR kloniert, Fusionsproteine aus dem extrazellulären Teil von Maus
PSGL-1 und entweder einem myc-tag oder dem Fc-Teil von human IgG1 hergestellt und nach
Transfektion aus dem Kulturüberstand von CHO Zellen gereinigt. Mit diesen
Fusionsproteinen und alternativ mit einem Peptid das die ersten 19 N-terminalen
Aminosäuren von Maus PSGL-1 abdeckt, wurden sowohl polyklonale als auch
monoklonale Ratten Antikörper gegen PSGL-1 hergestellt. Unsere mAk sind die weltweit
einzigen mAk gegen PSGL-1. Mit Hilfe dieser Antikörper konnten wir erstmals die
Funktion von Maus PSGL-1 untersuchen. Mit dem adhäsionsblockierenden mAk 2PH1
konnten wir zeigen, daß PSGL-1 essentiell ist für die Einwanderung von
neutrophilen Granulozyten (PMNs) in das entzündete Peritoneum der Maus (5).
Zusammen mit einer anderen Arbeit unsere Gruppe an Lymphozyten (8) zeigen diese Studien
zum ersten mal die Bedeutung von PSGL-1 für den Prozess des Gefässaustritts von
Leukozyten in vivo. Dies sind die ersten und bisher einzigen Daten zur in vivo Funktion eines
Selektinliganden. In Studien zur Rolle der endothelialen Selektine und ihrer Liganden für
die Einwanderung von Lymphozyten in entzündete Gewebe, gelang es uns in
Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Alf Hamann (Uniklinik Eppendorf, Hamburg)
zu zeigen, daß Th1 Zellen, in vitro differenziert aus primär isolierten Maus-
Lymphozyten, nicht jedoch Th2 Zellen in entzündete Hautareale der Maus einwandern
können (DTH Reaktion) (9). Diese Einwanderung war vollständig blockierbar
durch mAk gegen Maus E- und P-Selektin. Außerdem konnten nur Th1 Zellen, nicht
jedoch Th2 Zellen, an P- und E-Selektin binden (9). Diese Arbeit legte den Schluß nahe,
daß nur TH1, nicht jedoch Th2 Zellen Selektinliganden auf ihrer Oberfläche tragen.
Dies wurde von uns weiter untersucht und wir konnten zeigen, daß zwar Th1 Zellen gleich
viel PSGL-1 auf ihrer Oberfläche tragen wie Th2 Zellen, daß aber nur die Th1
Zellen PSGL-1 in einer Weise posttranslational modifizieren, die es befähigen, an
P-Selektin zu binden (8). In der Tat ist PSGL-1 auf Th1 Zellen wesentlich für den Eintritt
dieser Zellen in entzündete Areale der Haut, denn wir konnten diese Einwanderung mit
Antikörpern gegen PSGL-1 blockieren (8). Eine weitere Untersuchung von in vivo
aktivierten ("antigen-experienced") CD4+Lymphozyten, isoliert aus den
Lymphknoten einer DTH-Maus zeigte, daß ein deutlich erhöhter Prozentsatz dieser
Zellen (im Vergleich zur unbehandelten Maus) an E- und P-selektin bindet (10). Diese Zellen
konnten mit Hilfe eines Zellsorters und unserer E-und P-Selektin-IgG Fusionsproteine positiv
selektiert werden, und es zeigte sich, daß diese Zellen sehr gut in entzündete Haut
einwandern, während negativ selektierte (d.h. nicht selektinbindende) Zellen nicht in die
Haut einwanderten. Selektinbindende Zellen waren wiederum vollständig in ihrem
Einwandern blockierbar mit Antikörpern gegen E- und P-Selektin (10). Umgekehrt
konnte gezeigt werden, daß die Expression von E-selektin in vivo durch den Kontakt von
Antigen-aktivierten T-Zellen mit dem Endothel induzierbar ist (11). Interessanterweise spielen
in einem anderen Entzündungsmodell (der "Experimentellenen Autoimmunen
Enzephalomyelitis", EAE) die beiden endothelialen Selektine keine Rolle bei der
Einwanderung von Lymphozyten ins Gehirn (12). In Zusammenarbeit mit Prof. B. Arnold und
Prof. G. Hämmerling konnte gezeigt werde, daß die E- und P-Selektin vermittelte
Einwanderung von T Zellen in die Haut essentiell ist für die Ausbildung von
immunologischer Toleranz in der neugeborenen Maus (13). Dies etabliert auch die funktionelle
Bedeutung von kurz nach der Geburt konstitutiv in Gefäßen der Peripherie
exprimiertem E- und P-selectin. Untersuchungen zur Expression der funktionellen Glykoform
von PSGL-1 auf Lymphozyten wurden an einem antigen-spezifisch aktivierten CD8+T-Zell
Klon der Maus (4G3) durchgeführt. Wir fanden, daß PSGL-1 der einzige Ligand
auf diesen Zellen war, der an P- und an E-Selektin bindet (14). Interessanterweise war PSGL-1
auch das einzige Glykoprotein, das mit dem sLex-ähnlichen Zuckerepitop HECA452
modifiziert wurde. Außerdem konnte nur PSGL-1 von frisch aktivierten T-Zellen an beide
endothelialen Selektine binden, während PSGL-1 von späteren Zellstadien nur an
P-Selektin binden konnte. Dies lässt den Schluss zu, daß die Bindung von PSGL-1
an beide endothelialen Selektine während der Aktivierung und Deaktivierung von
T-Zellen differentiell reguliert wird und daß es E-selektin spezifische Bindungskriterien
für PSGL-1 geben muss. Neben Lymphozyten wurden auch Mastzellen auf ihre
Fähigkeit hin untersucht, an die endothelialen Selektine zu binden. Wir konnten zeigen,
daß Mastzellen, die in vitro aus Knochenmarkskulturen der Maus generiert wurden, in
Adhäsionsassays unter Flußbedingungen ("flow-assays") mit Hilfe von
PSGL-1 an P-selektin aber nicht an E-Selektin binden können (15). Dies zeigte, vielleicht
ähnlich wie im Fall des CD8+T-Zellklons, daß PSGL-1 in einer Glykoform
exprimiert werden kann, die nur zur Bindung an P- aber nicht an E-Selektin ausreicht. Mit Hilfe
des "yeast-two hybrid selection system" wurde versucht, assoziierte Proteine
für PSGL-1, ESL-1 und L-Selektin zu finden. Dies wurde sowohl für die humanen
als auch für die Maus Proteine versucht. In jedem Fall wurden Konstrukte als Sonden
benutzt die den gesamten zytoplasmatischen Teil des jeweiligen Proteins umfassten. Als cDNA
library wurde zum einen eine von Clontech vertriebene library von humanen Leukozyten
benutzt und zum anderen haben wir poly-A+-RNA aus primär isolierten Maus
Lymphozyten der Milz gereinigt und davon ausgehend von Clontech eine cDNA library
erstellen lassen. Trotz einjährigen intensiven screenings ließen sich auf diese Weise
keine assoziierten Proteine finden, obwohl in Kontrollexperimenten mit anderen Sonden zu
erwartende assoziierte Proteine gefunden wurden. PSGL-1 als auch ESL-1 wurden auf ihre
Fähigkeit hin getestet, Signale ins innere von PMNs zu vermitteln. Zu diesem Zweck
wurden PMNs aus Mäusen isoliert und mit P- bzw. E-Selektin-IgG, oder mit anti PSGL-1
oder anti-ESL-1 Antikörpern inkubiert und diese mit sekundären
Antikörpern kreuzvernetzt. Intrazellulärer Ca++-Flux und die Induktion von
"Reactive Oxygen Intermediates" wurden durch die Selektin-IgGs und die anti
PSGL-1 Antikörper, nicht jedoch durch die anti ESL-1 Antikörper ausgelöst.
Die Bindung der PMNs an ICAM-1 transfektierte CHO Zellen wurde mit anti PSGL-1 und mit
P-Selektin-IgG stimuliert (16). Dies bedeutet, daß die Stimulierung von PSGL-1 zur
Aktivierung von ?2-Integrinen führt. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Cerletti
(Mario Negri Süd, Italien) konnten wir zeigen, daß die Tyrosin-Phosphorylierung
eines 110 kD Proteins in diesen Prozess involviert ist (17). |
3.3 |
Ergebnisse aus der ersten Förderperiode zu anderen Liganden der endothelialen Selektine:
Bei der Suche nach den Liganden für E- und P-Selektin auf humanen neutrophilen Granulozyten
(PMNs) konnten wir zeigen, daß L-Selektin als einer der Hauptliganden von humanen
PMNs mit E-Selektin-IgG affinitätsisoliert wird (18). Dies bestätigte frühere
Arbeiten, in denen auf der Basis indirekter Evidenz L-Selektin als Ligand für E-Selektin
vorgeschlagen wurde. In unserer Studie konnten wir diese Interaktion erstmals direkt darstellen.
Wir konnten außerdem zeigen, daß nur L-Selektin auf humanen, nicht aber auf
Maus PMNs in einer selektinbindenden Glykoform vorliegt. Die früher postulierte
Bindung von P-Selektin an L-Selektin konnte nicht bestätigt werden. In einer weiteren
Studie, die in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Mark Jutila (Bozeman University ,
Montana, USA) erstellt wurde, konnten diese Daten bestätigt werden. In dieser Arbeit
wurden systematisch E-Selektin Liganden auf ?/? T Zellen des Rinds mit denen auf humanen
PMNs und humanen Lymphozyten verglichen. Liganden ähnlich den 200 kD und
250 kD Liganden von ?/? T Zellen des Rinds wurden auch auf humanen Lymphozyten
gefunden. Ein 120 kD Ligand wurde nur auf humanen Lymphozyten gefunden (19). Ein
früher bereits in Zusammenarbeit mit Dr. Peter Altevogt identifizierter Ligand für
P- Selektin, das CD24, wurde in einer weiteren Arbeit nun auf humanen Tumorzellen (breast
carcinoma, small cell lung carcinoma) als P-Selektinligand charakterisiert (20).
Interessanterweise binden diese Zellen an P-Selektin, obwohl sie PSGL-1 nicht exprimieren. In
Kooperation mit der Gruppe von Prof. Konrad Messmer konnte gezeigt werden, daß
Plättchen der Maus in vivo in einem Ischemie/Reperfusions Modell an endotheliales
P-Selektin binden (21). Zur Zeit wird untersucht, ob PSGL-1 hier als P-Selektinligand auf
Plättchen in Frage kommt. |
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Drittmittelgeber:
Beteiligte Wissenschaftler:
Veröffentlichungen:
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