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Abbildung 16. NNY-CCL14(G50,A51) verliert chemotaktische Aktivität in vitro auf Eosinophile

Die Chemotaxisassays wurden in 48-Well Mikrochemotaxis Boyden Kammern für 60 min bei 37°C durchgeführt. Es wurden Konzentrationen von 10-6 bis 10-10 mol/l eingesetzt. Die migrierten Zellen wurden in 5 Gesichtsfeldern bei 1000facher Vergrößerung bestimmt.

Migrationsindices wurden anhand der Negativkontrolle errechnet. Hier dargestellt sind die gepoolten Daten von mehr als 7 verschiedenen Blutspendern.

Die chemotaktische Aktivität, die durch eine Aktivierung des CCR3 vermittelt ist, wurde an Eosinophilen getestet, da diese, wie bereits erwähnt, eine hohe Expression an CCR3 aufweisen, ohne bedeutsame Mengen anderer Chemokinrezeptoren zu exprimieren. Aus Abbildung 16 wird ersichtlich, dass sowohl die Potenz als auch die Effizienz von NNY-CCL14(G50,A51) deutlich gemindert ist. Im Vergleich zu nativem CCL14(9-74) ist die Reduktion nicht so deutlich wie im Vergleich zu NNY-CCL14. Die Migrationspeaks sind für NNY-CCL14(G50,A51) bei 1000 nmol/l, für NNY-CCL14 bei 100 nmol/l und für CCL14(9-74) 300 nmol/l gelegen.

5 DISKUSSION

Ziel dieser Studie war die Bestätigung der GAG-Bindungsstelle von CCL14 im Bereich des Aminosäure-Motivs 49(KRGH)52, und die Überprüfung der biologischen in vitro-Aktivität der GAG defizienten Mutante, NNY-CCL14(G50,A51).

Bereits in früheren Studien für andere Chemokine wurden spezifische Bindungsstellen für Glykosaminoglykane bestimmt. Hier sind CCL2 (LAU et al. 2004), CCL3 (KOOPMANN u.

KRANGEL 1997), CCL4 (KOOPMANN et al. 1999), CCL5 (PROUDFOOT et al. 2001), CXCL4 (STRINGER u. GALLAGHER 1997), CXCL8 (SPILLMANN et al. 1998), CXCL10 (CAMPANELLA et al. 2003) und CXCL12 (SADIR et al. 2001) zu nennen. Mit der Entdeckung der verschiedenen GAG-Bindungsstellen wurde auch die Frage nach der in vitro und in vivo Bedeutung der Interaktion zwischen Glykosaminoglykanen (GAG) und Chemokinen für die Zellrekrutierung gestellt. Einige in vitro Untersuchungen zeigten, dass eine Neutralisation der GAG-Bindungsstelle die chemotaktische Aktivität nicht mindert, solange durch die Mutation kein Verlust in der Rezeptoraffinität zu verzeichnen ist (CINAMON et al. 2001). Dieses ist nach PROUDFOOT et al. (2003) darauf zurückzuführen, dass in in vitro Versuchen ein künstlicher Gradient erzeugt wird, welcher nicht wie unter in vivo Bedingungen durch die Scherkräfte des Blutstroms aufgehoben wird. Diese Arbeitsgruppe zeigte für die GAG-Bindungsstellen-defiziente CCL5-Mutante, 44(AANA)47, eine ungestörte chemotaktische in vitro-Aktivität, während sie keine transendotheliale Migration und auch keine in vivo-Chemotaxis induzieren konnte. Hierdurch wurde die Bedeutung der Interaktion von Chemokinen mit Glykosaminoglykanen für die transendotheliale Migration herausgestellt (PROUDFOOT et al. 2003).

Für einige Chemokine konnte als Glykosaminoglykan-Bindungsstelle ein BBXB Motiv festgestellt werden, wobei B für eine basische Aminosäure, z.B. Lysin oder Arginin, und X für eine beliebige andere Aminosäure steht (KOOPMANN et al. 1999; KOOPMANN u.

KRANGEL 1997; PROUDFOOT et al. 2001; SADIR et al. 2001). Bei anderen Chemokinen hingegen, z.B. CXCL8 (KUSCHERT et al. 1998) und CCL2 (CHAKRAVARTY et al. 1998), sind die einzelnen Bindungsstellen räumlich voneinander getrennt. In CCL5 wurde zunächst ein BBXXB-Motiv als GAG-Bindungsstelle vermutet (BURNS et al. 1998). Innerhalb der Aminosäuren 44-47 wurde später ein BBXB-Motiv entdeckt, welches im Bereich des 40s Loops liegt. Dieses konnte für das sehr basische Chemokin CCL5 durch PROUDFOOT et al.

(2003) als spezifische GAG-Bindungsstelle identifiziert werden. Allerdings konnte nach punktuellen Mutationen keine der Mutanten, auch nicht nach der vollständigen Neutralisation des BBXB-Motivs (44(AANA)47), während der Überprüfung der Heparinbindung vollständig eluiert werden. Die Mutationen benötigten lediglich eine geringere Salzkonzentration, was vermuten lässt, dass hier weitere Bereiche in die Interaktion mit Proteoglykanen eingebunden sind. Durch die Markierung mit radioaktivem Iod konnte die Bedeutung des 40s Loops dennoch nachhaltig bestätigt werden (PROUDFOOT et al. 2001). In einer hierauf aufbauenden Mutationsstudie erwies sich die zweite Aminosäure dieses Bindungsmotivs als essentiell wichtig für die Bindung an Heparin und die transendotheliale Migration (ALI et al.

2002). Wir konnten bei CCL14 ein solches Motiv im Bereich der Aminosäuren 49-52 identifizieren. Mittels chemischer Peptidsynthese gelang es uns, die ersten zwei basischen Aminosäuren durch ungeladene Aminosäuren erfolgreich auszutauschen. Aufgrund von technischen Problemen bei der Synthese war es jedoch nicht möglich, alle drei basischen Aminosäuren zu ersetzen. Aufgrund der deutlich niedrigeren Salzkonzentrationen, welche für die Elution der GAG-defizienten Mutante benötigt wurde, konnten wir die Bindung von Heparin im Bereich des BBXB-Motivs nachweisen und somit einen weiteren Vertreter mit diesem Motiv bestätigen.

In Bezug auf eine Veränderung der Rezeptoraffinität und -aktivität nach Mutationen im Bereich des BBXB-Motivs wurden in früheren Arbeiten unterschiedliche Beobachtungen gemacht. Die BBXB-Motive in CCL3, CCL4, CCL5 und CCL14 liegen im Bereich des 40s Loops, dem auch eine Bedeutung für die Rezeptorbindung zukommt (KOOPMANN et al.

1999; LAURENCE et al. 2001; PROUDFOOT et al. 2001). Somit ist es von besonderem Interesse, die biologische Aktivität von NNY-CCL14(G50,A51) zu untersuchen. Alle Versuche zur Überprüfung der biologischen Aktivität wurden im Vergleich zu CCL14(9-74) und NNY-CCL14 durchgeführt, welche beide eine starke Affinität zu CCR1, CCR3 und CCR5 aufweisen (DETHEUX et al. 2000; FORSSMANN et al. 2004; GUPTA et al. 2006).

NNY-CCL14(G50,A51) besitzt eine etwas reduzierte Aktivität am CCR1 im Vergleich zu NNY-CCL14 und CCL14(9-74). In der Messung der Calciummobilisation konnten deutlichere Abweichungen beobachtet werden als bei der CCR1-Rezeptorinternalisierung.

Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass bei der CCR1-Internalisierung noch andere Faktoren involviert sind, die unterschiedlich stimuliert werden. Die Ergebnisse der Rezeptorinternalisierung und die Messung der Calciummobilisation implizieren, dass hier lediglich eine geringe Überlappung der molekularen Strukturen vorliegt, die für die

Heparinbindung bzw. die CCR1-Bindung und -Aktivierung relevant sind. Für CCR5 ist von keiner Überlappung der Heparin- und der Chemokinbindungsstelle auszugehen, da hier eine vergleichbare Aktivität von NNY-CCL14(G50,A51) und den Referenzsubstanzen CCL14(9-74) und NNY-CCL14 in Bezug auf die Rezeptorinternalisierung und die Calciummobilisation festgestellt wurde. Die Interaktion mit CCR3 wird in einem späteren Abschnitt diskutiert.

Ähnliche, wenn auch eindeutige Beobachtungen, konnten für die Modifikation des β-Chemokins CCL5 gemacht werden. Das Rezeptorspektrum von CCL5 entspricht im Wesentlichen dem des CCL14(9-74). CCL5 ist ein Ligand von CCR1, CCR3 und CCR5. Die Aktivität von CCL5 am CCR1 ist nach einer Neutralisation des BBXB Motivs deutlich reduziert, wohingegen die Aktivität von Mutante und Ausgangssubstanz am CCR5 sich nicht unterscheidet (PROUDFOOT et al. 2001). Eine Veränderung in der Rezeptoraffinität zu CCR1 wurde ebenfalls für CCL3 festgestellt. Die Mutation lediglich einer Aminosäure in CCL3 lässt zwar zunächst keine Änderung der Aktivität von CCL3 am CCR1 erkennen (KOOPMANN et al. 1999), wohingegen die Mutation einer weiteren Aminosäure zu einem vollständigen Verlust dessen Aktivität am CCR1 führt (GRAHAM et al. 1996). Im Gegensatz hierzu resultiert die Neutralisation des BBXB Motivs im Bereich des 40s Loops von CCL4 in keiner reduzierten Aktivität an dessen Rezeptor CCR5 (KOOPMANN et al. 1999;

LAURENCE et al. 2001). PROUDFOOT et al. (2001) führten dieses Phänomen nicht nur auf die sich überschneidenden Bindungsstrukturen, sondern auch auf die Eigenschaften der betroffenen Rezeptoren zurück, wonach die extrazellulären Loops des CCR1 stark negative Ladungen aufweisen, die des CCR5 hingegen eher neutral sind und somit nicht in dem Maße durch eine Neutralisation der Bindungsmotive betroffen sind (PROUDFOOT et al. 2001).

Interessante Resultate ergaben auch die Chemotaxisassays, welche mit frisch isolierten Monozyten durchgeführt wurden. Natives CCL14(9-74) und CCL14 zeigen hier einen biphasischen Kurvenverlauf, welcher auf eine Wirkung an zwei verschiedenen Rezeptoren hindeutet. Die Migrationspeaks liegen bei 1000 und 1 nM (CCL14(9-74)) und 100 und 1 nM (NNY-CCL14). Die chemotaktische Aktivität von NNY-CCL14(G50,A51) ist deutlich reduziert im nanomolaren Bereich, wo der erste Peak der beiden Referenzsubstanzen liegt.

Eine glockenähnliche Kurve ist nicht mehr darstellbar und es kommt nur noch zu einer effizienten Migration im mikromolaren Bereich. Dieses ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass der zweite Migrationspeak von CCL14 bei 1 nM auf die Aktivierung

in der Internalisierung eine moderate und in der Messung der intrazellulären Calciummobilisation eine deutlichere Reduktion der Aktivität am CCR1 zu verzeichnen ist, wohingegen sich die Aktivität am CCR5 nicht verändert, die somit dem Peak im mikromolaren Bereich entsprechen kann.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ligand-Rezeptor-Beziehungen konnten wir am CCR3 einen dramatischen Verlust der Aktivität erkennen. Die im GAG-Bindungsbereich mutierte Substanz kann CCR3 in CCR3+-Transfektanten und in Eosinophilen augenmerklich nicht internalisieren. Auch die Calciummobilisation, wie in Abbildung 7 dargestellt, lässt einen deutlichen Shift und Aktivitätsverlust erkennen. Diese Ergebnisse deuten an, dass sich in CCL14 die Regionen, welche für die Bindung der Glykosaminoglykane verantwortlich sind, mit denen, welche für die Bindung und Aktivierung des CCR3 verantwortlich sind, zu einem großen Teil überschneiden. Im Hinblick auf die chemotaktische Aktivität wurde ebenfalls eine verminderte Aktivität beobachtet. Da CCR3 der am stärksten exprimierte Chemokinrezeptor auf Eosinophilen ist (DAUGHERTY et al. 1996), stehen diese Ergebnisse in direktem Einklang mit denen der CCR3-Internalisierung und der Calciummobilisation. Im Rahmen der Überprüfung der Rezeptoraffinität und -aktivität von (44(AANA)47)-CCL5 wurde CCR3 nicht untersucht und ist somit hinsichtlich dessen Veränderungen nicht zu vergleichen.

Die Bedeutung der einzelnen Chemokinrezeptoren und deren Liganden sowie die Beziehung untereinander ist nicht direkt vom tierischen auf das humane System übertragbar und umgekehrt. CHVATCHKO et al. (2003) zeigten kürzlich eine Verbesserung der Atemwegsinflammation und des Eosinophileninfluxes durch eine Applikation von Met- und AOP-CCL5 bei Mäusen. Diese stellte sich als nicht CCR3-vermittelt heraus, da diese Peptide CCR3 nicht binden. Hieraus ergeben sich zwei neue therapeutische Ansätze im Bereich der Asthmaforschung, CCR1 und CCR5, und eine wahrscheinlich hervorzuhebende Bedeutung für den IL5 mediierten Weg über Th2-Lymphozyten, wenn auch zunächst nur im murinen Versuchsmodell (CHVATCHKO et al. 2003). AOP-CCL5 ist ein Agonist bzw. Super-Agonist am humanen CCR3 und CCR5 (ELSNER et al. 2001; SABBE et al. 2001). Met-CCL5 antagonisiert diese Rezeptoren (ELSNER et al. 1997; PROUDFOOT et al. 1996). Im murinen System hingegen bindet AOP-CCL5 CCR3 nicht und ist ein Antagonist am CCR1 und CCR5 (CHVATCHKO et al. 2003). Ebenfalls als nicht CCR3 vermittelt stellten sich die Resultate nach NNY-CCL14 Gabe heraus. Hier wird allerdings auch die klinische Symptomatik neben den pathologischen Veränderungen in einem Mausmodell signifikant verbessert, ohne dass

diese Modifikation Aktivitäten am murinen CCR3 zeigt. Jedoch internalisiert NNY-CCL14 auch murine CCR1 und CCR5 und weist somit agonistische Aktivitäten im murinen System auf (GUPTA et al. 2006).

Welche Rezeptoren für welche Reaktionen innerhalb des Immunsystems verantwortlich sind, ist bis heute nicht im Detail bekannt. Die Studien von CHVATCHKO et al. (2003) und GUPTA et al. (2006) bekräftigten jedoch das Rezeptorspektrum, auf das man sich in der Asthmaforschung konzentriert, nämlich CCR1 und CCR5 (CHVATCHKO et al. 2003;

GUPTA et al. 2006). Ob diese Erkenntnisse auf den menschlichen Organismus übertragbar sind, bedarf weiterer Forschungsarbeiten. Diese Resultate zeigen, dass für eine Prävention von allergischen Atemwegserkrankungen nicht unbedingt eine direkte Blockierung des CCR3 notwendig ist. Somit stellt die stark reduzierte Aktivität von NNY-CCL14(G50,A51) am CCR3 wahrscheinlich kein Hindernis bezüglich einer möglichen weiteren, Klinik orientierten Anwendung in vivo dar.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit CCL14 ein weiteres CC-Chemokin mit spezifischer Glykosaminoglykan-Bindungsstelle im Bereich des BBXB Motivs identifiziert. Das GAG-Bindungsstellen-defiziente CCL14-Derivat, NNY-CCL14(G50,A51) zeigt eine mäßig reduzierte Aktivität am CCR1 bei vergleichbarer Aktivität am CCR5 gegenüber seiner Precursoren CCL14(9-74) bzw. NNY-CCL14. Der Verlust der Affinität zu CCR3 durch eine Veränderung dieses Bindungsmotivs wird hier erstmalig beschrieben. Somit repräsentiert NNY-CCL14(G50,A51), dass sowohl CCR1 als auch CCR5, jedoch nicht CCR3 im nanomolaren Bereich aktiviert, ein interessantes Chemokin-Derivat, dessen pharmakologische Charakteristika derzeit weiter erforscht werden. Die im Rahmen dieser Studie dargestellten in vitro Versuche bilden eine wertvolle Grundlage für darauf aufbauende in vivo Studien, die dem besseren Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen und pharmakologischen Interventionsmöglichkeiten bei allergischen Erkrankungen dienen sollen.

6 ZUSAMMENFASSUNG

Sebastian Rieder

„Verifizierung der Glykosaminglykan(GAG)-Bindungsstelle des CC-Chemokins CCL14 und funktionelle Charakterisierung einer defizienten Mutante“

Chemokine sind chemotaktisch aktive, Heparin-bindende Peptide. Im Rahmen der Homöostase des Immunsystems und während einer Entzündung dirigieren Chemokine die Migration der Leukozyten zu ihren Zieladressen. Vornehmlich findet man Chemokine in Entzündungsgeschehen sezerniert oder an die Oberfläche von Endothelzellen gebunden. Um den Scherkräften des Blutstroms standhalten zu können und einen lokalen Konzentrationsgradienten zu bilden, werden Chemokine an Glykosaminoglykane (GAG) gebunden und so den zirkulierenden Leukozyten präsentiert. Für einige Chemokine konnten spezifische Bindungsstellen der Glykosaminoglykane bereits identifiziert werden. In CCL3, CCL4, CCL5 und CXCL12 wird diese spezifische Bindungsstelle durch ein BBXB-Motiv (B

= basische Aminosäure; X = beliebige andere Aminosäure) repräsentiert. In CCL14 liegt ein solches Motiv im Bereich der Aminosäuren 49-52 vor. In dieser Arbeit wurden Untersuchungen durchgeführt, bei denen die basischen Aminosäuren durch neutrale ersetzt wurden. Dies führt zu einem Verlust der Bindungsaffinität zu Heparin.

Die biologische Aktivität von NNY-CCL14(G50,A51) wurde sowohl an CCR1-,CCR3- und CCR5-transfizierten 300.19 Zelllinien als auch an frisch isolierten eosinophilen Granulozyten und Monozyten getestet. Zur Bestimmung der Aktivität wurde die Rezeptorinternalisierung mit der Durchflußzytometrie, die Messung der Mobilisation von intrazellulärem Calcium mit der FLIPR-Methode und die chemotaktische Aktivität in Mikrochemotaxisassys in vitro gemessen. NNY-CCL14(G50,A51) verlor nur moderat an Aktivität am CCR1. Der Verlust war in der Messung der Calciummobilisation deutlicher zu erkennen als in der Messung der Rezeptorinternalisierung. Während ein vollständiger Aktivitätsverlust am CCR3 gezeigt wurde, blieb die Aktivität am CCR5 vollständig erhalten. Frühere Studien zeigten, dass in Bezug auf CCR1 und CCR5, diese Resultate mit denen von CCL3, CCL4 und CCL5 im Wesentlichen übereinstimmen. Kürzlich konnte für den Precursor der GAG-Bindungsstellen-defizienten Mutante, NNY-CCL14, gezeigt werden, dass die Hyperreaktivität der Atemwege in einem murinen Versuchsmodell nach intravenöser Applikation von NNY-CCL14

gemindert wird. Weiter konnte für CCL5 dargestellt werden, dass eine Neutralisation des BBXB-Motivs die Zellrekrutierung in vivo verhindert.

Dementsprechend bilden die in vitro Versuche dieser Studie die Grundlage für spätere in vivo Versuche, die zu einem besseren Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen und der pharmakologischen Interventionsmöglichkeiten bei allergischen Erkrankungen beitragen können. Die Ergebnisse weisen auf neue Wege hin, die für die Entwicklung klinisch relevanter Chemokinderivate von großer Bedeutung sind.

7 SUMMARY

Sebastian Rieder

“Verification of the Glycosaminoglycane(GAG)-binding motif in CCL14 and functional characterization of a deficient mutant”

Chemokines are chemotactic, heparin-binding peptides. They direct migrating leukocytes to sites of inflammation and maintain the homeostasis of the immune system. Predominantly, chemokines are found in inflamed tissue or bound on the luminal surface of endothelial cells.

To resist the sheer forces of the blood flow and in order to build up a haptotactic concentration gradient, chemokines are immobilized by glycosaminoglycanes (GAG) and likewise presented to circulating leukocytes. Specific GAG-binding sites have already been identified for a couple of chemokines. In CCL3, CCL4, CCL5, and CXCL12, this specific binding site is represented by an BBXB-motif (B = basic amino acid, X = any other amino acid). In the scope of this thesis, it could be verified that CCL14 comprises a BBXB-motif within the amino acids 49-52. The basic amino acids of NNY-CCL14(G50,A51) were replaced by neutral amino acids, which resulted in a reduction of its heparin binding affinity.

The biological activity of NNY-CCL14(G50,A51) was tested either in CCR1, CCR3 and CCR5-stably transfected cell lines or in freshly isolated eosinophils and monocytes. Receptor internalization was measured by flow cytometry, mobilization of intracellular calcium was determined using the FLIPR method and in vitro chemotaxis was carried out by microchemotaxis assays. The GAG-deficient mutant of CCL14, NNY-CCL14(G50,A51), showed only a moderate reduction of its activity on CCR1 which was more evident in the measurement of intracellular calcium fluxes than in receptor internalization. While the activity of NNY-CCL14(G50,A51) on CCR3 was lost completely, all investigated biological functions mediated via CCR5 were unaltered. Previous studies showed that according to CCR1 and CCR5, these results are essentially in line with the observations on CCL3, CCL4 and CCL5. Recently, it was shown for NNY-CCL14, the precursor of the GAG-deficient mutant, that airway hyperresponsiveness is significantly reduced after intravenous application of NNY-CCL14 in a murine model of allergic airway inflammation. Furthermore, it is described for CCL5 that the neutralization of the BBXB motif leads to a reduced cell recruitment in vivo.

Therefore, these in vitro experiments are the basis for future in vivo studies contributing to a better understanding of the pathophysiological mechanisms in allergic diseases and may lead to innovative pharmacological interventions in this context. These results pave the way for the design of new clinically relevant chemokine derivates.

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