Pathobiochemische Relevanz der humanen Xylosyltransferase-I in der Knochenhomöostase

• Antragstellerin: Dr. Isabel Faust-Hinse
• Fachliche Zuordnung: Toxikologie, Laboratoriumsmedizin ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316628156

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die humane Xylosltransferase-I (XT-I) katalysiert den initialen und geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Proteoglykan (PG)-Biosynthese und ist demnach maßgeblich an dem Aufbau einer funktionellen extrazellulären Matrix (ECM) beteiligt. Die enzymatische XT-I Aktivität verhält sich proportional zu der PG-Glykosylierung und kann als nicht-invasiver Biomarker für fibrotische Geweberemodellierungsprozesse herangezogen werden. Humanpathogene XYLT1-Mutationen bedingen eine XYLT1-Defizienz und sind kausativ für die Skelettdysplasie Desbuquois Dysplasie Typ 2 (DBQD2). Um zu eruieren, ob sich die XT-I zukünftig als therapeutisches Target eignen könnte, ist ein besseres Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen der XT-I-Regulation unabdingbar. In der ersten Förderperiode wurden die mechanistischen Aspekte der XT-I-Regulation sowie deren Beteiligung am fibroproliferativen Geschehen am Beispiel der dermalen Fibrose und Sklerodermie (SSc) näher charakterisiert. Activin A, die miRNA-29b und die miRNA-145 wurden als XT-I-Induktoren identifiziert, sowie Celastrol und Amphotericin B als Inhibitoren der XT-I beschrieben. Weiterführend wurden erstmals XYLT1-defiziente normale, humane Dermalfibroblasten (NHDF) mittels der CRISPR/Cas9-Technologie generiert. Die XYLT1-defizienten NHDF waren durch eine aberrante ECM-Komposition und -Integrität charakterisiert, zeigten jedoch auch atypische zelluläre Eigenschaften bezüglich einer gesteigerten Seneszenz und Myofibroblasten-Differenzierung. Die erzielten Ergebnisse stellen somit nicht nur neue Schlüsselerkenntnisse hinsichtlich der bei der XT-I-Regulation involvierten Signalpfade dar, sondern belegen zusätzlich die hohe pathophysiologische Relevanz einer XYLT1-Defizienz. In der zweiten Förderperiode wurde daher die funktionelle Charakterisierung der XT-I im Knochenstoffwechsel adressiert. Über die CRISPR/Cas9-basierte Generierung und Differenzierung XYLT1-defizienter humaner, mesenchymaler Stammzellen (hMSC) wurden erstmalig die Knochen und Gelenke betreffenden klinischen Manifestationen der DBQD2 auf zellulärer Ebene analysiert. Kennzeichnend für die XYLT1-Defizienz waren eine aberrante chondrozytäre Knorpelmatrix, eine vorzeitige Chondrozytenreifung, eine verminderte osteogene Matrix-Mineralisierung sowie eine verminderte Resorptionsaktivität der Osteoklasten bei vorzeitiger Induktion der Osteoklastogenese. Wenngleich im Hinblick auf die generierten XYLT1-defizienten hMSC keine Merkmale zellulärer Seneszenz nachgewiesen wurden, wurde, im Hinblick auf die putative Assoziation von zellulärer Seneszenz und XT-I-Regulation, die Funktion der XT-I als anti-fibrotischer Mediator in der akuten Seneszenz dermaler Wundheilung definiert. Langfristig werden die erzielten Ergebnisse unseres Vorhabens zu der Entwicklung therapeutischer Interventionsmöglichkeiten für XT-I-assoziierte Erkrankungen beitragen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Inhibition of xylosyltransferases by nucleotides and xylosides. Gordon Research Conference Tissue Repair and Regeneration (New Hampshire, USA) 2017
  Fischer et al.
  
• miR-145 regulates XT-I expression in myofibroblast differentiation. Gordon Research Conference Tissue Repair and Regeneration (New Hampshire, USA) 2017
  Faust et al.
  
• microRNA-29b mediates fibrotic induction of human xylosyltransferase-I in human dermal fibroblasts via the Sp1 pathway. Scientific Reports, 8(1).
  Riedel, Lara; Fischer, Bastian; Ly, Thanh-Diep; Hendig, Doris; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• First description of a compensatory xylosyltransferase I induction observed after an antifibrotic UDP-treatment of normal human dermal fibroblasts. Biochemical and Biophysical Research Communications, 512(1), 7-13.
  Fischer, Bastian; Ly, Thanh-Diep; Hendig, Doris; Kuhn, Joachim; Pécheur, Eve-Isabelle; Reungoat, Emma; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• microRNA-29b mediates fibrotic induction of human XT-I in NHDF via the Sp1 pathway. Gordon Research Conference Tissue Repair and Regeneration (New Hampshire, USA), 2019
  Faust
  
• Regulation of XT-I Expression by Activin A in Human Skin Fibroblasts. Gordon Research Conference Tissue Repair and Regeneration (New Hampshire, USA), 2019
  Ly et al.
  
• Activin A-Mediated Regulation of XT-I in Human Skin Fibroblasts. Biomolecules, 10(4), 609.
  Ly, Thanh-Diep; Plümers, Ricarda; Fischer, Bastian; Schmidt, Vanessa; Hendig, Doris; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• Identification of Putative Non-Substrate-Based XT-I Inhibitors by Natural Product Library Screening. Biomolecules, 10(10), 1467.
  Ly, Thanh-Diep; Kleine, Anika; Fischer, Bastian; Schmidt, Vanessa; Hendig, Doris; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• microRNA-145 mediates xylosyltransferase-I induction in myofibroblasts via suppression of transcription factor KLF4. Biochemical and Biophysical Research Communications, 523(4), 1001-1006.
  Ly, Thanh-Diep; Riedel, Lara; Fischer, Bastian; Schmidt, Vanessa; Hendig, Doris; Distler, Jörg; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• Xylosyltransferase-deficient human HEK293 cells show a strongly reduced proliferation capacity and viability. Biochemical and Biophysical Research Communications, 521(2), 507-513.
  Fischer, Bastian; Ly, Thanh-Diep; Schmidt, Vanessa; Hendig, Doris; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• Cytokine-mediated induction of human xylosyltransferase-I in systemic sclerosis skin fibroblasts. Biochemical and Biophysical Research Communications, 549, 34-39.
  Ly, Thanh-Diep; Kleine, Anika; Plümers, Ricarda; Fischer, Bastian; Schmidt, Vanessa; Hendig, Doris; Distler, Jörg H.W.; Kuhn, Joachim; Knabbe, Cornelius & Faust, Isabel
  
• First Characterization of Human Dermal Fibroblasts Showing a Decreased Xylosyltransferase-I Expression Induced by the CRISPR/Cas9 System. International Journal of Molecular Sciences, 23(9), 5045.
  Fischer, Bastian; Schmidt, Vanessa; Ly, Thanh-Diep; Kleine, Anika; Knabbe, Cornelius & Faust-Hinse, Isabel
  
• Human XT-I: A new Mediator of Cardiac Stem Cell Regeneration and Differentiation? Gordon Research Conference Tissue Repair and Regeneration (New Hampshire, USA) 2023
  Schmidt et al.
  
• Human Xylosyltransferase I—An Important Linker between Acute Senescence and Fibrogenesis. Biomedicines, 11(2), 460.
  Schmidt, Vanessa; Ohmes, Justus; Ly, Thanh-Diep; Fischer, Bastian; Kleine, Anika; Knabbe, Cornelius & Faust-Hinse, Isabel