NMR-Spektroskopische Untersuchungen zur Wechselwirkung von BMP-2 und BMPR-IAEC
Final Report Abstract
Die Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) stellen eine Untergruppe der mehr als 35 Mitglieder umfassenden Proteinsuperfamilie der Transforming Growth Factor-ôs (TGF-ô) dar. zusammen mit den Growth and Differentiation Factors (GDFs), den Activinen sowie den TGF-ôs spielen BMPs in allen Tieren eine essentielle Rolle bei der Musterbildung und Organbildung während Embryonalentwicklung und sind später im adulten Organismus für Regenerationsprozesse in zahlreichen Geweben verantwortlich. Unter- als auch Überfunktionen der BMP Signale führen zu schweren chronischen Erkrankungen. Die bedeutendste Funktion der BMPs ist ihre Fähigkeit ektopes Knochenwachstum zu induzieren, was auch bereits zur medizinischen Anwendung geführt hat. BMPs sind homodimere, sekretierte Proteine, die über eine eigene Klasse von Transmembranrezeptoren Ihre Signale in den Zellkern weiterleiten. Die BMP-Rezeptoren weisen nur ein Membran-spannendes Segment auf und besitzen eine cytosolische Serin/ Threonin-Kinase Domäne. Zur Signaltransduktion werden zwei unterschiedliche Rezeptorketten, Typ I und Typ II, benötigt. Liganden-induzierte Rezeptoroligomerisierung führt zur Aktivierung der Typ I Rezeptorkinasen durch die konstitutiv aktiven Kinasen der Typ II Rezeptorketten. Die so aktivierten Typ I Rezeptorkinasen initiieren daraufhin weitere Signalkaskaden, von denen die Aktivierung und Translokation der intrazellulären SMAD-Proteine den wohl wichtigsten Signalweg darstellen. Ein herausragendes Merkmal der BMP Proteinfamilie ist ihre hoch promiske Ligand-Rezeptor Interaktion. Die geringe Anzahl an Rezeptoren, fünf Typ II und sieben Typ I, für alle 35 Liganden der TGF-ô Superfamilie weist bereits daraufhin, daß ein Rezeptor mehr als einen Liganden erkennen und binden muß, umgekehrt wir aber auch beobachtet, daß ein Ligand der BMP Familie in der Regel mehr als einen Rezeptor eines Subtyps binden und aktivieren kann. So interagiert BMP-2 beispielsweise mit den Typ I Rezeptoren BMPR-IA und -IB mit fast identischer hoher Affinität und kann alle drei BMP Typ II Rezeptoren BMPR-II, ActR-II und ActR-IIB binden und für die Rezeptoraktivierung nutzen. Dies führt zu der Frage, wie auf atomarer Ebene Bindeepitope im BMP Ligand-Rezeptor System aufgebaut sein müssen um eine Protein-Protein Wechselwirkung mit eingeschränkter Spezifität zu ermöglichen. Strukturelle und funktionelle Untersuchungen an den Komplexen BMP-2:BMPR-IA/IB und der extrazellulären Domäne von BMPR-IA deuten darauf hin, daß strukturelle Flexibilität in den Bindeepitopen sowohl auf Seiten des BMP Liganden wie auch des Rezeptors eine entscheidende Rolle spielt, um so eine limitierte Spezifität sicherzustellen. Interessanterweise zeigen unsere Ergebnisse, daß insbesondere für den Rezeptor BMPR-IA ein Großteil des Bindeepitops vor der Bindung völlig ungefalten vorliegen. Unsere Ergebnisse geben einen neuen Einblick in die Mechanismen der Protein-Protein- Erkennung und zeigen Wege auf, wie Proteine in Interaktionen Spezifität und Affinität unabhängig voneinander modulieren können.
Publications
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Kotzsch A, Nickel J, Seher A, Heinecke K, van Geersdaele L, Herrmann T, Sebald W, Mueller TD: Structure Analysis of Bone Morphogenetic Protein-2 Type I Receptor Complexes Reveals a Mechanism of Receptor Inactivation in Juvenile Polyposis Syndrome. J Biol Chem 2008, 283(9):5876-5887.
