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pH affects the interaction of serin protease inhibitor Kazal type 1 (SPINK1) with trypsin: a single molecule force spectroscopy study

  • Serine protease inhibitor Kazal type 1 (SPINK1) plays an important role in preventing pancreatitis by inhibiting activated trypsin in the pancreas. The N34S variant of SPINK1 was found to be associated with chronic pancreatitis. However, this mutation is also expressed in the healthy population, indicating that the mutation alone does not cause the disease. In this study, we investigated at single molecular level the effect of pH on the binding characteristics of human cationic trypsin to SPINK1 by single-molecule force spectroscopy (SMFS). We found that at pH 8.0, trypsin shows twice the binding force to wild type SPINK1 (90.9 pN ± 3.9 pN) compared to the N34S mutant (47.3 pN ± 3.9 pN). An acidic pH of 4.8 results in a lower binding forces for trypsin-wild type SPINK1 (41.9 pN ± 4.0 pN) to a similar level as the binding force of trypsin-N34S mutant (54.6 pN ± 4.6 pN) complexes. These results are complemented by dynamic force spectroscopy findings which show a higher stability of the wild type SPINK1-trypsin complexes at pH 8.0 in comparison to N34S mutant-trypsin complexes. In addition, the binding profiles for both wild type and N34S mutant SPINK1 to trypsin equalize at pH 4.8. Our results indicate that the presence of the mutation in the healthy population would most probably not affect the interaction with trypsin at acidic pH such as physiological conditions in pancreatic acinar cells. However, an increase in pH, leads to a difference of binding strength between SPINK1 or N34S mutant towards human cationic trypsin. These findings may be relevant for understanding the role of SPINK1 and its mutation N34S in the pathogenesis of pancreatitis.
  • Serine protease inhibitor Kazal type 1 (SPINK1) spielt eine entscheidende Rolle zum Schutz vor Selbstverdau des Pankreas und daraus resultierender Pankreatitis, indem es frühzeitig aktiviertes Trypsin inhibiert. Die Mutation N34S von SPINK1 wurde häufig in Zusammenhang mit chronischer Pankreatitis gebracht. Allerdings wurde die Mutation auch in einem kleinen Prozentsatz der gesunden Bevölkerung gefunden. So wird vermutet, dass diese N34S-Mutante nicht alleiniger Auslöser der Erkrankung sein kann, sondern prädisponierend wirkt. In dieser Arbeit, wurde auf Einzelmolekül-Ebene der Effekt von pH-Änderungen auf die Bindungscharakteristika von humanem kationischen Trypsin gegenüber SPINK1 mittels Einzelmolekül-Kraft-Spektroskopie (SMFS) analysiert. Unsere Untersuchungen ergaben, dass bei pH 8,0 Trypsin doppelt so stark an Wildtyp SPINK1 bindet (90.9 pN ± 3.9 pN) verglichen mit der N34S Mutation (47.3 pN ± 3.9 pN). Ein saurer pH-Wert von 4,8 führte hingegen zu einer Verringerung der Bindungskraft zwischen Trypsin und Wildtyp SPINK1 (41.9 pN ± 4.0 pN) im Gegensatz zu der Bindungskraft zwischen Trypsin und N34S Mutante (54.6 pN ± 4.6 pN). Diese Ergebnisse wurden mit Hilfe von dynamischer Kraft-Spektroskopie untermauert. Hierbei ergab sich eine höhere Stabilität des Wildtyp SPINK1- Trypsin-Komplexes bei pH 8,0 im Vergleich zum N34S Mutation-Trypsin-Komplex. Außerdem glichen sich auch bei dieser ergänzenden Methode die Bindungsprofile für Wildtyp und N34S- Mutation bei einem pH-Wert von 4,8 aneinander an. Unsere Ergebnisse indizieren, dass eine N34S Mutation von SPINK1 in der gesunden Bevölkerung höchstwahrscheinlich keinen Einfluss auf die Interaktion mit Trypsin in saurer pH-Umgebung hat. Unter physiologischen Bedingungen herrscht in den Azinuszellen des Pankreas, wo SPINK1 seinen Wirkungsbereich hat, ein saures Milieu. Wenn allerdings der pH-Wert aus bestimmten Gründen ansteigt, führt dies zu einem deutlichen Unterschied in der Bindungsstärke zwischen Trypsin und SPINK1 bzw. der Mutation N34S. Diese Erkenntnisse können relevant sein, um die genaue Rolle von SPINK1 und seiner Mutation N34S bei der Pathogenese von Pankreatitis zu verstehen.

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Metadaten
Author:Dr. rer. med. Annelie Klein
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-47385
Title Additional (German):pH beeinflusst die Interaktion zwischen serin protease inhibitor Kazal typ 1 (SPINK1) und Trypsin: eine Einzelmolekül-Kraftspektroskopie Studie
Referee:Prof. Dr. Markus M. Lerch, Prof. Dr. Robert Jaster
Advisor:Prof. Dr. Markus M. Lerch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/08/16
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2021/08/02
Release Date:2021/08/16
Tag:SPINK1
GND Keyword:Trypsin
Page Number:44
Faculties:Universitätsmedizin / Klinik und Poliklinik für Innere Medizin
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit