Hoffmann, Daniel Christopher
(2011).
Functional characterization of the PlGF-2 heparin-binding domain.
PhD thesis, Universität zu Köln.
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Abstract
Placenta growth factor (PlGF), a member of the vascular endothelial growth factor
(VEGF) protein family, is a critical regulator of vascular growth during processes of
tissue remodelling including tissue repair and carcinogenesis. As reported for VEGF-A,
the PlGF gene gives raise to different protein isoforms by mRNA splicing, which differ
primarily in the presence or absence of a carboxyl-terminal domain, rich in basic amino
acids (so called heparin-binding domain). The most abundantly expressed isoforms are
PlGF-1 (lacking the heparin-binding domain) and PlGF-2 (expressing the heparinbinding
domain). Whereas in recent years the heparin-binding domain of VEGF-A165, the
major VEGF-A isoform that shares 46% amino acid sequence identity with PlGF-2, has
emerged as essential domain for VEGF-A function, up to date little is known about the
functional relevance of this domain present in PlGF-2. The aim of this project was to
investigate the functional impact of the heparin-binding domain for PlGF-mediated
activities.
rhPlGF-1 and rhPlGF-2 were synthesized in HEK293 cells and used to perform
differential structural and functional in vitro and in vivo bioassays. Analysis of protease
sensitivity revealed that rhPlGF-2 is a target of the serine protease plasmin. Westernblot
analysis and MALDI-TOF-mass-spectrometry of plasmin-digested rhPlGF-2
fragments identified a specific plasmin cleavage site (Lys118-Met119) resulting in loss of
the C-terminal domain comprising the heparin-binding domain encoded by exon 6 and a
short stretch of eight amino acids encoded by exon 7. The biological relevance of
proteolytic cleavage of rhPlGF was corroborated by identifying a rhPlGF-2 cleavage
fragment in non-healing, poorly vascularized human skin wounds, that was consistent
with plasmin mediated cleavage. To characterize the functional consequences of
plasmin-mediated cleavage of rhPlGF-2, a truncated form of rhPlGF (PlGFStop) was
generated, representing the plasmin-resistant N-terminal fragment (Leu1-Lys118).
Chemotaxis and endothelial cell sprouting analysis revealed striking differences among
the PlGF isoforms. Whereas rhPlGF-2 induced a robust chemotactic and endothelial cell
sprouting response on HUVE and porcine endothelial cells stably transfected with
Neuropilin-1 (PAE/Nrp-1), the activity of rhPlGF-1, plasmin processed rhPlGF-2 and the
rhPlGFStop mutant was significantly attenuated. Furthermore, the induction of a
vascularized granulation tissue in wounds of impaired healing diabetic mice could be
significantly stimulated by topical application of rhPlGF-2, whereas application of
rhPlGF-1 or rhPlGFStop showed weak effects. These findings indicate that the heparinbinding
domain of PlGF-2 stimulates endothelial cell functions in vitro and promotes
angiogenesis in vivo. To unravel the underlying molecular mechanisms for the increased
biological potency of PlGF-2, binding to diverse extracellular matrix components and the
VEGFR-1 co-receptor Nrp-1 as well as signalling pathways were investigated.
Surface Plasmon Resonance spectroscopy demonstrated a high affinity of rhPlGF-2, but
unexpectedly also of rhPlGF-1 for several glycosaminoglycanes (heparin, heparan
sulphate and chondroitin sulphate). These findings indicate that the binding capacity of
PlGF to the selected glycosaminoglycanes is dependent on the amino acids encoded by
exon 7, which is present in both isoforms. The heparin-binding domain present
exclusively in PlGF-2 appears not to be essential for binding of the investigated GAGs.
rhPlGF-2 revealed a moderate binding to Nrp-1, which was significantly increased in the
presence of heparin. The absence of the entire C-terminal domain encoded by exon 6
and 7 (represented by the rhPlGFStop mutant) resulted in complete loss of any tested
binding capacity. Activation of VEGFR-1 appears to be independent of the C-terminal
domain, because all isoforms rhPlGF-2 and rhPlGFStop resulted in an activation of
VEGFR-1 and its downstream targets Akt and Erk-1/-2. Analysis of signalling pathways
in endothelial cells suggested that increased rhPlGF-2-induced cellular responses were
in part mediated by increased activation of tyrosine kinases FAK (focal adhesion kinase)
and Src family kinases. In addition, activation of both kinases was enhanced by Nrp-1
overexpression and exposure of endothelial cells to collagen I.
Collectively, our findings propose novel functions of the heparin-binding domain of PlGF-
2 and of the C-terminal domain of PlGF-1 and indicate that plasmin-mediated proteolysis
is a major switch to control PlGF-mediated angiogenesis.
Item Type: |
Thesis
(PhD thesis)
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Translated title: |
Title | Language |
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Funktionelle Charakterisierung der PlGF-2 Heparin-bindenden Domäne | German |
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Translated abstract: |
Abstract | Language |
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Der plazentale Wachstumsfaktor (PlGF), ein Mitglied der Familie der vaskulären
endothelialen Wachstumsfaktoren (VEGF), ist bekannt als wichtiger Mediator für die
Regulation des Gefäßwachstums während des Gewebeumbaus. Dies gilt in
besonderem Maße für die Hautregeneration und Karzinogenese. Ähnlich wie für VEGFA
gezeigt, wird die Expression von PlGF durch alternatives mRNA Splicing eines plgf-
Gens reguliert, und führt zur Bildung von verschiedenen Proteinisoformen. Diese
unterscheiden sich maßgeblich durch alternative Expression einer stark basischen
Domäne am Carboxylende des Proteins (Heparin-bindende Domäne). Bei den am
häufigsten exprimierten Isoformen handelt es sich um PlGF-1 (ohne Heparin-bindende
Domäne) und PlGF-2 (mit Heparin-bindender Domäne).
Die Funktion der Heparin-bindenden Domäne von VEGF-A165 war in den letzten Jahren
Forschungsgegenstand zahlreicher Untersuchungen, durch deren Ergebnisse die
essentielle Rolle der Heparin-bindenden Domäne für die Aktivität von VEGF-A165 gezeigt
werden konnte. Die Funktion der Heparin-bindenden Domäne von PlGF-2 hingegen
blieb trotz hoher Sequenzhomologie zu VEGF-A165 (46%) bis heute weitgehend
ungeklärt. Um die strukturellen und funktionellen Unterschiede zwischen rhPlGF-1 und
rhPlGF-2 näher zu untersuchen, wurden diese Isoformen in HEK293 Zellen exprimiert
und in verschiedenen in vitro und in vivo Experimenten charakterisiert. Untersuchungen
der Proteasesensitivität von rhPlGF-2 ergaben, dass PlGF ein Zielprotein der
Serinprotease Plasmin ist. Die daraus resultierende C-terminale Fragmentierung wurde
mit Hilfe von Western Blot und MALDI-TOF-Massenspektroskopischer Analyse
untersucht. Neben mehreren Schnittstellen innerhalb der Heparin-bindenden Domäne,
konnte Lys118-Met119 als die am weitesten N-terminal gelegene spezifische
Plasminschnittstelle identifiziert werden. Um die funktionellen Konsequenzen dieser
proteolytischen Prozessierung von rhPlGF-2 näher zu untersuchen, wurde eine
verkürzte Form von rhPlGF (PlGFStop) generiert, welche den plasminresistenten, Nterminalen
Bereich von PlGF umfasst (Leu1-Lys118). Vergleichende Untersuchungen von
rhPlGF-1, rhPlGF-2 und rhPlGFStop bezüglich ihrer chemotaktischen Aktivität und ihrer
Fähigkeit eine Gefäßaussprossung zu fördern, zeigten signifikante Unterschiede
zwischen den einzelnen PlGF Isoformen auf.
Während rhPlGF-2 eine deutliche chemotaktische Antwort in HUVE Zellen und
Neurpilin-1-transfizierten Endothelzellen aus der Aorta des Schweins hervorrief und die
Ausbildung von gefäßähnlichen Strukturen induzierte, zeigten sowohl rhPlGF-1,
Plasmin-prozessiertes rhPlGF-2 als auch die mutierte Form rhPlGFStop eine klar
verminderte Aktivität. Weiterhin förderte die topische Applikation von rhPlGF-2 in
Wunden von diabetischen Mäusen mit verzögerter Wundheilung eine signifikante
Zunahme an vaskularisiertem Granulationsgewebe. Im Gegensatz dazu, wiesen rhPlGF-
1 und rhPlGFStop nur geringe Effekte auf. Zusammenfassend konnten die Ergebnisse
eine klare Funktionalität der Heparin-bindenden Domäne von rhPlGF-2 aufzeigen, zum
einen durch die Stimulation endothelialer Zellfunktionen in vitro und zum anderen durch
angiogenesefördernde Effekte in vivo.
Um die zugrunde liegenden Mechanismen für die gesteigerte Bioaktivität von PlGF-2 zu
identifizieren, wurde sowohl die Bindung der unterschiedlichen PlGF Isoformen an
verschiedene Komponenten der extrazellulären Matrix und an den Korezeptor Nrp-1
gemessen, als auch mögliche Signaltransduktionswege untersucht. Mit Hilfe von
Surface Plasmon Resonance Spektroskopie wurde gezeigt, dass sowohl rhPlGF-2 als
auch – unerwarteter Weise rhPlGF-1 - eine starke Affinität für verschiedene untersuchte
Glykosaminoglykane (GAGs) aufweisen (Heparin, Heparansulfat, Chondroitinsulfat).
Diese Ergebnisse lassen vermuten, das die Interaktion zwischen PlGF und den
untersuchten GAGs hauptsächlich durch die von Exon 7 codierten Aminosäuren
vermittelt wird, welche in beiden Isoformen expremiert werden. Die Heparin-bindenden
Domäne in PlGF-2 scheint nicht essentiell für eine Bindung an die untersuchten GAGs
zu sein. Zusätzlich konnte eine moderate Bindung von rhPlGF-2 an Nrp-1 gemessen
werden, die jedoch in Anwesenheit von Heparin signifikant um den Faktor 100 verstärkt
wurde.
Das Fehlen der C-terminalen Domäne (kodiert von Exon 6 und 7) in rhPlGFStop führte
zu einem vollständigen Verlust der Bindungskapazität in allen durchgeführten
Messungen. Diese C-terminale Verkürzung des Proteins scheint jedoch keinen
maßgeblichen Einfluss auf die Bindung an den VEGFR-1 zu haben. Nach Stimulation
mit rhPlGFStop oder rhPlGF-2 zeigten sowohl VEGFR-1, als auch die nachgeschalteten
Signalproteine Akt und Erk-1/-2 eine vergleichbare Phosphorylierung. Eine
weiterführende Analyse möglicher Signaltransduktionswege in Endothelzellen lässt
darauf schließen, dass die durch rhPlGF-2 induzierte verstärkte endotheliale Zellaktivität
teilweise durch eine Aktivierung der Tyrosinkinasen FAK (focal adhesion kinase) und Src
vermittelt sein könnte. Zusätzlich konnte eine verstärkte Phosphorylierung dieser
Kinasen bei Nrp-1 Überexpression und Collagen I Exposition beobachtet werden.
Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit neue Funktionen der Heparin-bindenden
Domäne von PlGF-2 und der C-terminalen Domäne von PlGF-1 aufgezeigt werden. Die
Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass die durch Plasmin vermittelte, C-terminale
Proteolyse eine Schüsselkomponente für die durch PlGF induzierte Angiogenese
darstellt. | German |
|
Creators: |
Creators | Email | ORCID | ORCID Put Code |
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Hoffmann, Daniel Christopher | daniel.c.hoffmann@web.de | UNSPECIFIED | UNSPECIFIED |
|
URN: |
urn:nbn:de:hbz:38-41577 |
Date: |
14 February 2011 |
Language: |
English |
Faculty: |
Faculty of Mathematics and Natural Sciences |
Divisions: |
Faculty of Medicine > Biochemie > Institut II für Biochemie |
Subjects: |
Life sciences Medical sciences Medicine |
Uncontrolled Keywords: |
Keywords | Language |
---|
Placenta Growth Factor | UNSPECIFIED | Angiogenesis | UNSPECIFIED |
|
Date of oral exam: |
8 April 2011 |
Referee: |
Name | Academic Title |
---|
Paulsson, Mats | Prof. Dr. | Hammerschmidt, Matthias | Prof. Dr. |
|
Refereed: |
Yes |
URI: |
http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4157 |
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