Cargo uptake and release of the human lectin receptor Langerin

• Applicant: Professor Dr. Christoph Rademacher
• Subject Area: Biochemistry ; Structural Biology
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 388821358

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Die Familie der C-typ Lektine ist die größte und diverseste Familie der Kohlenhydratbindenden Proteine. Vielfach werden diese Proteine als membranständige Rezeptoren auf Immunzellen exprimiert und sind dort in Prozessen der Pathogenerkennung involviert. Die Erreger werden anhand ihrer Oberflächenpolysaccharide erkannt und dann internalisiert. So gelangen sie ins endosomale Kompartment, wo sie anschließend von der Zelle verdaut werden. Die daraus resultierenden Peptide werden als Antigene präsentiert von den Immunzellen. Um diesen Prozess der Pathogenerkennung mit anschließendem endosomalen Transport und der Antigenpräsentation besser zu verstehen und in diesen Abläufen die Rolle der C-Typ Lektine zu definieren, haben wir uns den Rezeptor Langerin ausgewählt. Langerin erkennt wie die meisten C-typ Lektine seine Kohlenhydratliganden über die Koordination des Kofaktor Ca2+ in der Kohlenhydraterkennungsseite. Langerin ist auf Langerhans Zellen in der Epidermis der menschlichen Haut für die Abwehr verschiedenen Erregern verantwortlich. Aus unseren Vorarbeiten waren nun Mutationen des Langerins bekannt, welche die Ca2+ Komplexierung durch Änderung der Affinität und auch Änderung der pH Sensitivität modulieren sollten. Hierfür wurden biophysikalische Untersuchungen mittels NMR und ITC durchgeführt und von biochemischen Experimenten unterstützt. Eine Reihe von Einzel- und Doppelmutanten wurde so beschrieben, die teilweise überraschende Kompensationen der Doppelmutanten hervorbrachten. Zusammen mit Molekulardynamik Simulationen konnte dann eine Hypothese aufgestellt werden, welche die pH Sensitivität der Ca2+ Komplexierung beschreibt. Bei der Übersetzung dieser Resultate in die zellbiologischen Untersuchungen wurde dann jedoch klar, dass diese Effekte entweder nicht messbar sind oder keine Auswirkungen auf die wirkliche Prozessierung von aufgenommenen Pathogenen haben. Wir konnten jedoch unsere Einblicke in die Aufnahme und Prozessierung nutzen um den Rezeptor Langerin für die Verwendung als Zielrezeptor für die Entwicklung neuartiger Impfstoffe genauer zu untersuchen. Hier konnten wir auf ein delivery System zurückgreifen, dass in einem vorherigen DFG Projekt entwickelt wurde und zeigen, dass zum Beispiel Proteine gezielt an Langerhans Zellen in der intakten menschlichen Haut ex vivo ausgeliefert werden können. Dies bildet die Grundlage für mögliche Untereinheitenimpfstoffe. Weiterhin gelang es uns ebenfalls für andere Substanzklassen eine solche spezifische Aufnahme zu zeigen, darunter mRNA und Glykolipide. Damit wurde die Grundlage geschaffen, das Langerhans Cell Targeted Delivery System (LC-TDS) für die Entwicklung neuartiger Impfstoffe zu untersuchen, die in Zukunft eine Verabreichung über die ermöglichen könnten.

Publications

• (2019) A Liposomal Platform for Delivery of a Protein Antigen to Langerin-Expressing Cells, Biochemistry 58, 2576-2580
  Schulze, J., Rentzsch, M., Kim, D., Bellmann, L., Stoitzner, P., and Rademacher, C.
  
• (2019) A Specific, Glycomimetic Langerin Ligand for Human Langerhans Cell Targeting, ACS Cent Sci 5, 808-820
  Wamhoff, E. C., Schulze, J., Bellmann, L., Rentzsch, M., Bachem, G., Fuchsberger, F. F., Rademacher, J., Hermann, M., Del Frari, B., van Dalen, R., Hartmann, D., van Sorge, N. M., Seitz, O., Stoitzner, P., and Rademacher, C.
  
• (2020) Allostery in C-type lectins, Curr Opin Struct Biol 62, 31-38
  Keller, B. G., and Rademacher, C.
  
• (2021) A Remote Secondary Binding Pocket Promotes Heteromultivalent Targeting of DC-SIGN, J Am Chem Soc, 143, 18977-18988
  Wawrzinek R, Wamhoff EC, Lefebre J, Rentzsch M, Bachem G, Domeniconi G,Schulze J, Fuchsberger FF, Zhang H, Modenutti C, Schnirch L, Marti MA, Schwardt O, Bräutigam M, Hauck D, Seeberger PH, Seitz O, Titz A, Ernst B, Rademacher C
  
• (2021) Notch-Mediated Generation of Monocyte-Derived Langerhans Cells: Phenotype and Function, J Invest Dermatol 141, 84-94 e86
  Bellmann, L., Zelle-Rieser, C., Milne, P., Resteu, A., Tripp, C. H., Hermann-Kleiter, N., Zaderer, V., Wilflingseder, D., Hortnagl, P., Theochari, M., Schulze, J., Rentzsch, M., Del Frari, B., Collin, M., Rademacher, C., Romani, N., and Stoitzner, P.
  
• (2021) Specific Protein Antigen Delivery to Human Langerhans Cells in Intact Skin, Front Immunol, 12:732298
  Rentzsch M, Wawrzinek R, Zelle-Rieser C, Bellmann L, Fuchsberger FF, Schulze J, Busmann J, Rademacher J, Sigl S, Del Frari B, Stoitzner P, Rademacher C
  
• (2021). The molecular basis for the pH-dependent calcium affinity of the pattern recognition receptor langerin. J Biol Chem 296, 100718
  Joswig, J.O., Anders, J., Zhang, H., Rademacher, C., and Keller, B.G.