Unconventional integrin-ligand interactions

Abstract

Integrins are cell surface adhesion and signaling receptors. Cells use integrins to attach to the extracellular matrix and to other cells, as well as for sensing their environment. In addition to adhesion and migration, integrins have been shown to be important for many biological processes including apoptosis, cell proliferation, and differentiation into specific tissues. Many important next generation biological drugs inhibit integrin functions. Thus, research into interactions between integrins and their ligands under different physiological and pathological conditions is not only of academic interest, but is also important for the field of drug discovery.

In this Ph.D. project, the functions of integrin-ligand interactions were studied under different physiologically interesting conditions including 1) human echovirus 1 binding to integrin α2β1, 2) integrin α2β1 binding to collagen under flow conditions, 3) integrin α2β1 binding to a ligand in the presence of the angiogenesis inhibitor histidine rich glycoprotein (HRG) and 4) integrin binding to posttranslationally citrullinated ligands.

As a result of the project, we could show that for each condition the integrin-ligand interaction is somewhat unconventional. 1) Echovirus 1 binds only to non-activated conformations of integrin α2β1. 2) Surprisingly, the non-activated conformation is also the primary conformation of integrin α2β1 when it binds to collagen under flow conditions, like when platelets adhere to subendothelial collagen in vascular injuries. In addition, the pre-activation of integrin α2β1 does not increase adhesion under flow. 3) HRG binds to integrin α2β1 through a low-affinity interaction that inhibits integrin binding to collagen. This shows that low affinity interactions could be biologically relevant and possibly regulate angiogenesis. 4) The citrullination of collagen, a posttranslational modification reported to occur in rheumatoid arthritis, specifically inhibits the binding of integrin α10β1 and α11β1, but does not affect the binding of α1β1 ja α2β1. On the other hand, the citrullination of isoDGR in fibronectin and RGD in pro-TGF- β:n inhibit integrin binding completely. Citrullination seems to be an inflammation related process and integrin ligands become citrullinated frequently in vivo.

This Ph.D. thesis suggests that unconventional interaction mechanisms between integrins and their ligands, such as posttranslational modifications, low affinity interactions, and non-activated integrin conformations, can have an important role in pathological processes. The study of these kinds of integrin-ligand interactions is important for understanding biological phenomena more deeply. The research might also be beneficial for the development of integrin based therapies for treating diseases.

Integriinit ovat solunpinnan tarttumis- ja signalointireseptoreja, joiden avulla solut kiinnittyvät ja välittävät tietoa ympäristöstään. Integriineillä on osoitettu olevan keskeinen rooli solujen tarttumisen ja liikkumisen lisäksi mm. ohjelmoidussa solukuolemassa eli apoptoosissa, solujakaantumisessa sekä solujen erilaistumisessa kantasoluista eri kudostyypeiksi. Monet uuden sukupolven biologiset lääkkeet, joita käytetään esimerkiksi MS-taudin ja verihyytymien hoidossa, kohdistuvat integriinien toiminnan estämiseen. Näin ollen integriinien ja niiden ligandien välisten vuorovaikutusten tutkiminen erilaisissa fysiologisissa ja patologisissa tilanteissa on tärkeää perustutkimuksellisen mielenkiintoisuuden lisäksi myös lääkekehityksen kannalta.

Tässä työssä integriinien toimintaa on tutkittu tavanomaisesta integriini-ligandi-vuorovaikutuksesta poikkeavissa tilanteista. Tälläisia tilanteita ovat 1) echovirus 1:n vuorovaikutus integriini α2β1 kanssa, 2) integriini α2β1:n sitoutuminen kollageeniin virtauksen alaisena, 3) integriinien ligandiin tarttumisen estyminen angiogeneesi-inhibiittori HRG-proteiinin (eng. histidine-rich glycoprotein) vaikutuksesta sekä 4) integriini-ligandien aminohappojen muokkautuminen translaation jälkeisesti sitrulliniiksi niveltulehduksissa. Väitöskirjatyön tuloksena havaittiin, että kussakin tilanteessa integriinien sitoutuminen ligandiinsa poikkesi tavanomaisesta käsityksestä: 1) echovirus 1 tarttuu vain inaktiiviseen α2β1-integriinin konformaatioon ja yllätyksellisesti 2) α2β1 sitoutuu virtauksen alaisena kollageeniin käyttämällä inaktivoitua konformaatiota. Myöskään integriinin pre-aktivaatiolla ei näyttänyt olevan merkitystä integriini α2β1:n sitoutumiseen kollageenin virtauksellisissa olosuhteissa. 3) HRG:n toimintamekanismin selvitys osoitti, että integriini α2β1 sitoutuu matalalla affiniteetilla HRG-proteiiniin estäen α2β1:n sitoutumisen kollageeniin, mikä osoittaa, että matalan affiniteetin integriini-ligandi-vuorovaikutuksella voi olla biologisesti tärkeitä tehtäviä. Lisäksi havaittiin, että 4) kollageenin sitrullinaatiolla ei ole vaikutusta α1β1 ja α2β1 integriinien sitoumiseen, mutta α10β1 ja α11β1 eivät pysty sitoutumaan sitrullinoituun kollageeniin. Toisaalta esim. fibronektiinin isoDGR- sekä pro-TGF-β:n RGD-motiivin sitrullinoituminen estää integriinien sitoutumisen kokonaan. Sitrullinaatio vaikuttaa olevan yleinen niveltulehdukseen liittyvä prosessi, ja monia integriinien sitoutumiskohtia ligandeissa sitrullinoidaan aktivoitujen neutrofiilien kerääntyessä tulehdukseen in vivo.

Väitöskirjatyö osoittaa, että epätavalliset integriini-ligandi-vuorovaikutusmekanismit, kuten ligandien translaation jälkeiset modifikaatiot, matala-affiiniset integriini-ligandivuorovaikutukset sekä inaktiiviseen konformaatioon sitoutuminen, näyttäisivät olevan keskeisessä osassa sairausprosesseissa. Tällaisten integriini-ligandi-interaktioiden tuntemus on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää biologisten prosessien toimintaa syvällisemmällä tasolla. Tutkimus auttaa mahdollisesti myös kehitettäessä integriineihin liittyviä terapioita sairauksien hoitoon.