Doctoral Thesis
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The central aim of this thesis was the investigation of protein/polyanion interaction using circular dichroism (CD) spectroscopy, enzyme immune assay (EIA), isothermal titration calorimetry (ITC) and flow cytometry (FC). A further aim was to understand why an endogenous protein becomes immuno-genic when forming a complex. The focus was on the protein platelet factor (PF4), which gained wide interest in the clinical field, due to its role in the life-threatening, immune-driven, adverse drug effect heparin-induced thrombocytopenia (HIT). PF4 is a small homotetrameric chemokine with several basic amino acids on its surface, forming a positively charged ring. The antibodies that are formed during HIT recognize an epitope exposed on PF4, when it is in a complex with heparin at a certain molar ratio at which, PF4 tetramers are aligned on the heparin and forced into close approximation. The main results and conclusions of the thesis are summarized below: 5.1 Evolutionary Conservation of PF4 (Paper I – PF4/Evolution) By carrying out an amino acid sequence survey we found that the positively charged amino acids contributing to the heparin binding site on the surface of PF4 and related proteins are highly conserved in all vertebrates, including fish species. PF4 interacts with the phospholipid lipid A, the innermost part of the lipopolysaccharide (LPS) of Gram negative bacteria. We showed that the shorter the sugar chain of the O antigen, outer and inner core of the LPS were the more PF4 was binding. The interaction of PF4 with lipid A is inhibited by heparin, suggesting that the amino acids known to contribute to heparin binding are also involved in binding to lipid A. 5.2 PF4 Interaction with Polyanions (PA) of varying Length and Degree of Sulfation (Paper II – PF4/PA) CD spectroscopy was found to be a powerful technique to monitor structural changes of PF4 caused by binding to various clinically relevant polyanions. Therefore PF4 was titrated with different PA to investigate the dependencies: i. impact of the PF4:PA molar ratio, ii. degree of polymerization of the PA and iii. degree of sulfation of the PA. In all cases, exposure of HIT-relevant epitope(s) was only observed for PA that also induced changes in secondary structure of PF4. A comparison of results of an immune ¬assay with CD spectroscopic data showed that the extent of complex anti¬genicity correlates well with the magnitude of changes in PF4 secondary structure, and that the structural changes of PF4 have to exceed a certain threshold to achieve PF4/PA complex antigenicity. These findings allowed us to calculate expectation intervals for complex antigenicity solely using CD spectroscopic data. To our knowledge, this was the first demonstration that the capability of drugs to induce antigenicity of PF4 can be assessed without the necessity of in vivo studies or the use of antibodies obtained from immunized patients specific for the antigens. The antigenicity of PF4 in complex is not restricted to negative charges originating from sulfate groups, PA with phosphate groups are also capable (binding to phospholipids). We investigated inorganic polyphosphates (polyP) with a chain length of 75 Pi and showed that the induced secondary structural changes are even higher compared to the changes induced by the different heparins and that the PF4/P75 complexes are antigenic as well. 5.3 PF4 Interaction with defined oligomeric Heparins (Paper III – PF4/defined Heparins) We tested highly purified, monodisperse heparins. In contrast to the clinically relevant but relatively undefined (high polydispersity index) glycosamino glycans reported in paper II (PF4/PA). The defined heparins induced higher secondary structural changes. Here we showed for the first time that strong conformational changes during PF4/PA complex formation are necessary but not sufficient for to the expression of the anti-PF4/heparin antibody binding site. Also, the size of the complexes is not the only prerequisite for anti-PF4/heparin antibody binding (tested by atomic force microscopy). By ITC we found that antigenicity is only induced if the PF4/PA complex has a high binding enthalpy and the complex formation leads to a negative change in entropy. 5.4 PF4/Polyphosphates (polyP) Complex Antigenicity and Interaction with Escherichia coli (E. coli, Paper IV – PF4/polyP) PolyP with chain lengths of 45 Pi and 75 Pi induced remarkable secondary structural changes in the PF4 molecule, thereby exposing the epitope recognized by anti-PF4/heparin antibodies. The induced conformational changes were similar to the changes induced by the defined heparins. Again a high binding enthalpy was observed but here in connection with a positive change in entropy. Further we showed that polyP (≥45 Pi) enhance PF4 binding to the surface of Gram negative E. coli at intermediate concentration and disrupt the binding at elevated polyP concentrations. The increased amounts of PF4 on the bacterial surface also improved the binding of anti-PF4/heparin antibodies and thereby the phagocytosis of the bacteria by poly¬morpho¬nuclear leucocytes. 5.5 Nucleic acid based Aptamers induce structural Changes in the PF4 Molecule (Paper V – PF4/Aptamer) Nucleic acids are another class of molecules containing phosphate groups. Especially after cell damage their extra¬cellular concentration can be locally quite high (>2 mg/ml). We found that certain aptamers form complexes with PF4 and thereby inducing anti-PF4/aptamer antibodies which cross-react with PF4/heparin complexes. Moreover by CD spectroscopy we showed that the protein C-aptamer caused similar secondary structural changes of PF4 like heparin, but already at much lower concentration. The maximally induced changes by the protein-C aptamer were even higher and persisted over a broader concentration range. 5.6 Protamine Interaction with Heparin (Paper VI – PS/Heparin) After the intensive investigation of the complex formation between PF4 and many different classes of PA we assessed another protein for structural changes upon complex formation with heparin. Protamine (PS) a protein in routinely used in post-cardiac surgery to reverse the anticoagulant effects of heparin was found to unfold but not to refold with increasing concentration of PA in solution. 5.7 Conclusion and Outlook When starting this thesis, it was believed that repetitive structures formed by PF4 on a heparin chain mold the epitope recognized by antibodies inducing HIT. These repetitive structures might exhibit similarities with viral capsids and are therefore recognized by the immune system of some patients. We found that induced by the close approximation PF4 changes its conformation, thereby exposing a neoepitope. The conserved positively charged amino acids of the heparin binding site and the involvement of these amino acids in the binding to lipid A confirm our hypothesis of PF4 as part of an ancient immune-mediated host defense mechanism. As possible consequence of the “primitive mechanism of defense” the highly variable O-antigens of LPS might have significantly contributed to an efficient escape mechanism by hiding the structures that made the bacteria vulnerable. In turn polyP might be an adaption of the host improve pathogen recognition by PF4 and further by antibodies inducing phagocytosis of the PF4-marked objects. Although shown only for PF4 and PS, our findings might be applicable to other proteins that also express epitopes upon changes in their secondary structure. Our physicochemical methods may further be applied: i. to drug development for the prediction of antigenicity induced by polyanionic drugs, ii. to guide the development of synthetic heparins and other polyanion based drugs, e.g. aptamers, that do not lead to HIT and iii. to provide relevant aspects for other biological functions of heparins.
Die dem Leben zugrundeliegenden Prozesse sind hochkomplex. Sie werden zu einem Großteil durch Proteine umgesetzt. Diese spielen eine tragende Rolle für die morphologische Struktur und Vielfalt sowie Spezifität der Fähigkeiten der verschiedenen Zelltypen. Jedoch wirken Proteine nicht isoliert für sich allein sondern indem sie miteinander oder mit anderen Molekülen in der Zelle (DNA, Metabolite, Signalstoffe etc.) wechselwirken. Gerät dieses Geflecht von aufeinander abgestimmten Wechselwirkungen aus dem Gleichgewicht, kann das eine Ursache für Erkrankungen sein. Die Kenntnis über fehlregulierte Interaktionen kann dabei helfen, die betreffende Krankheit besser zu verstehen und gegen sie zu intervenieren. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Identifizierung von solch differentiell regulierten Interaktionen. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode mit dem Namen ExprEssence entwickelt, welche diejenigen Interaktionen in einem Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk identifiziert, die sich zwischen zwei verglichenen Zuständen (z.B. krank versus gesund) am stärksten unterscheiden. Ziel ist es, das Netzwerk auf die wesentlichen Unterschiede zwischen den zwei untersuchten Zuständen zu reduzieren. Hierzu werden Genexpressions- oder Proteomdaten der beiden Zustände in das bereits bestehende Netzwerk integriert. Aus diesen Daten wird die Stärke/Häufigkeit des Auftretens der einzelnen Interaktionen des Netzwerks geschätzt. Die Interaktionen, deren Interaktionsstärken sich zwischen den betrachteten Zuständen am stärksten unterscheiden, werden beibehalten – die restlichen Interaktionen werden verworfen. Dies ergibt ein verkleinertes Subnetzwerk, das aus jenen Interaktionen besteht, die am stärksten differentiell reguliert sind. Diese Interaktionen und ihre Proteine sind Kandidaten für eine Erklärung der biologischen Unterschiede der betrachteten Zustände auf molekularem Niveau. Die Methode wurde auf verschiedene biologische Fragestellungen angewandt und mit anderen ähnlichen Methoden verglichen. Bei der Untersuchung der Unterschiede zwischen Erfolg und Misserfolg einer chemotherapeutischen Brustkrebstherapie konnte beispielsweise gezeigt werden, dass das mit ExprEssence erstellte Subnetzwerk einen stärkeren Bezug zu den bereits bekannten Therapieerfolg-relevanten Mechanismen aufweist als die Methoden, mit denen ExprEssence verglichen wurde. Weiterhin wurde im Subnetzwerk eine möglicherweise für den Therapieerfolg relevante Interaktion identifiziert, die in diesem Zusammenhang bisher nicht betrachtet wurde. Deren Bedeutung konnte in der experimentellen Nachverfolgung weiter untermauert werden. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildete die Untersuchung des Interaktoms eines spezialisierten Zelltyps der Niere – des Podozyten. Dieser Zelltyp ist essentiell für die Filtrationskompetenz der Niere. Ein Interaktionsnetzwerk mit spezifisch für den Podozyten relevanten Interaktion gib es bisher nicht. Daher wurde ein Podozyten-spezifisches Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen zusammengestellt und öffentlich verfügbar gemacht. Genexpressionsdaten vielfältiger Art, beispielsweise von Podozyten in verschiedenen Entwicklungsstadien oder in Zellkultur, wurden in das Netzwerk integriert und mit ExprEssence analysiert. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Dedifferenzierung von in Kultur gehaltenen Podozyten nicht dem Umkehrweg der zuvor durchlaufenen Differenzierung entspricht. Neben ExprEssence wurde weitere Software entwickelt, die die Anwendbarkeit von ExprEssence erweitert – MovieMaker und ExprEsSector. Mit MovieMaker werden die Übergänge zwischen den betrachteten Zuständen nachvollziehbarer visualisiert. ExprEsSector bildet die Vereinigungs- und Schnittmengen-Netzwerke von ExprEssence-Subnetzwerken. So können beispielsweise verschiedenen Krankheiten gemeinsame Veränderungen vom Normalzustand identifiziert werden. Ist für eine Krankheit bereits ein Therapieansatz vorhanden, der auf eine fehlregulierte Interaktion einwirkt, und ist diese Interaktion auch in der anderen Krankheit gleichartig differentiell reguliert, kann geprüft werden, ob diese Therapie auf die zweite Krankheit übertragen werden kann. Neben der Vorstellung und Diskussion der erzielten Ergebnisse, wird auch auf methodisch bedingte Nachteile eingegangen. Es werden Strategien aufgezeigt, wie die negativen Einflüsse möglichst minimiert werden können oder wie sie bei der Bewertung der Ergebnisse zu berücksichtigen sind. In Anbetracht der immer schneller ansteigenden Menge biologischer Daten ist es eine wesentliche Herausforderung geworden, aus diesen die essentiellen Informationen zu extrahieren. Der integrative Ansatz der Verknüpfung von Informationen verschiedener Quellen wurde mit ExprEssence und den Erweiterungen MovieMaker und ExprEsSector in einem Konzept zur Identifizierung zustandsrelevanter molekularer Mechanismen in intuitiv leicht erfassbarer Form umgesetzt.
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Etablierung von Methoden zur absoluten und relativen Proteinquantifizierung. In darauf aufbauenden Studien sollten diese Methoden für die Untersuchung physiologisch relevanter Fragestellungen in Bakterien genutzt werden. Zum tieferen Verständnis der Bakterienphysiologie ist es unabdingbar, Mengenänderungen von Proteinen hochaufgelöst darstellen zu können. Relative Proteinquantifizierung erlaubt dabei die Untersuchung von Änderungen der Menge eines Proteins zwischen verschiedenen Proben eines Experiments. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit wurden 2D PAGE und gelfreie massenspektrometrische Methoden in einer Studie (Tefon et al. 2011, Artikel I) angewendet, um Oberflächen- und Immunoproteine zweier Vakzinationsstämme des humanpathogenen Bakteriums Bordetella pertussis zu charakterisieren. Die relative Proteinquantifizierung erlaubt zwar Rückschlüsse auf die Mengenänderung eines Proteins zwischen verschiedenen Bedingungen, ermöglicht aber nur bedingt Aussagen über die absolute Menge der Proteine. Gerade absolute Proteinmengen und damit Proteinkonzentrationen sind jedoch Grundvoraussetzung für ein zielorientiertes Verwenden der gewonnenen Daten nicht nur im Kontext der Systembiologie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, in der durch Kombination zweier etablierter Proteomik-Methoden die absolute Quantifizierung für einen großen Teil der cytosolischen Proteine eines Organismus ermöglicht wird. In dieser Methode werden ausgewählte Proteine, deren genaue Konzentration durch gerichtete Massenspektrometrie bestimmt wurde, für die Kalibration von hoch auflösenden 2D Gelen genutzt (Maass et al. 2011, Artikel II). Um das Potential dieses Verfahrens zu verdeutlichen, wurde es für die Analyse der Anpassung von Bacillus subtilis und Staphylococcus aureus an Glukosehunger angewendet. Dabei konnten für 467 Proteine von B. subtilis in drei Zeitpunkten Proteinkonzentrationen bestimmt werden. Für die Etablierung der Methoden waren verschiedene Vorarbeiten nötig: I) Selektion geeigneter Kalibrationsproteine, II) Selektion geeigneter Standardpeptide und Optimierung der massenspektrometrischen Parameter zu deren absoluten Quantifizierung, III) Selektion eines geeigneten, proteinunspezifischen und hoch sensitiven Gelfarbstoffes, IV) Testung verschiedener Zellaufschlussmethoden und Etablierung einer Methode zur Bestimmung der Zellaufschlusseffizienz, V) Testung verschiedener Proteinbestimmungsmethoden zur genauen Bestimmung der Gesamtproteinkonzentration im komplexen cytosolischen Extrakt und VI) Optimierung der vollständigen enzymatischen Spaltung aller Proteine vor der massenspektrometrischen Analyse. Im Rahmen dieser Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass sich die Kalibration der 2D Gele für die Ermittlung absoluter Daten zwischen Gelen übertragen lässt, was den Aufwand für große Zeitreihenexperimente deutlich reduziert. Die Genauigkeit und der dynamische Bereich 2D-gelbasierter relativer und absoluter Proteinquantifizierung kann durch eine erhöhte Reproduzierbarkeit, Auflösung und Sensitivität der Gele verbessert werden. Die Etablierung von HPE-Gelen führte zu 25 % mehr detektierbaren und damit quantifizierbaren Proteinspots und Proteinen bei deutlich erhöhter Reproduzierbarkeit (Moche et al. 2013, Artikel III). Die zusätzlich höhere Anzahl von Gelen mit quantifizierbarer Qualität verringert außerdem den Zeit- und Kostenaufwand vor allem für komplexe experimentelle Ansätze. Die neue Methode zur gelbasierten absoluten Proteinquantifizierung wurde in einer Folgestudie angewendet, um die Konzentrationen von mehr als 700 Proteinen von B. subtilis während der physiologisch relevanten Anpassung an verschiedene Stressbedingungen, nämlich Glukosehunger und Hitzestress, zu bestimmen (Maaß et al. 2014, Artikel IV). Der Vergleich der beiden Stressbedingungen ermöglicht eine Unterscheidung der generellen von der spezifischen Stressantwort, wobei die Analyse der Daten durch Berechnung der Proteinkosten und der Ressourcenverteilung auf verschiedene metabolische Pfade und regulatorische Einheiten unterstützt wurde. Da die Nutzung von 2D PAGE zur Proteinquantifizierung auf im Gel detektierbare Proteine beschränkt ist, ist es für eine höhere Proteomabdeckung sinnvoll, gelbasierte Methoden mit gelfreien Methoden zu ergänzen. Deshalb wurde eine Methode zur labelfreien MS-basierten absoluten Quantifizierung von Proteinen im großen Maßstab entwickelt und etabliert. In dieser gel- und labelfreien Quantifizierungstechnik wurde datenunabhängige, parallele Fragmentierung aller zeitgleich eluierenden Vorläufermoleküle (LC-MSE) genutzt. Auch für diese Methode der absoluten Proteinquantifizierung bildeten die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Probenaufbereitungsverfahren die Grundlage (Muntel et al. 2014, Artikel V).