The Structure and Function of αI Domains in Collagen Receptor and Leukocyte Integrins – The Structure and Function of Collagen Receptor and Leukocyte Integrins

Abstract

Integrins are heterodimeric, signaling transmembrane adhesion receptors that connect the intracellular actin microfilaments to the extracellular matrix composed of collagens and other matrix molecules. Bidirectional signaling is mediated via drastic conformational changes in integrins. These changes also occur in the integrin αI domains, which are responsible for ligand binding by collagen receptor and leukocyte specific integrins. Like intact integrins, soluble αI domains exist in the closed, low affinity form and in the open, high affinity form, and so it is possible to use isolated αI domains to study the factors and mechanisms involved in integrin activation/deactivation. Integrins are found in all mammalian tissues and cells, where they play crucial roles in growth, migration, defense mechanisms and apoptosis. Integrins are involved in many human diseases, such as inflammatory, cardiovascular and metastatic diseases, and so plenty of effort has been invested into developing integrin specific drugs. <br /> <br />Humans have 24 different integrins, four of which are collagen receptor (α1β1, α2β1, α10β1, α11β1) and five leukocyte specific integrins (αLβ2, αMβ2, αXβ2, αDβ2, αEβ7). These two integrin groups are quite unselective having both primary and secondary ligands. This work presents the first systematic studies performed on these integrin groups to find out how integrin activation affects ligand binding and selectivity. These kinds of studies are important not only for understanding the partially overlapping functions of integrins, but also for drug development. In general, our results indicated that selectivity in ligand recognition is greatly reduced upon integrin activation. Interestingly, in some cases the ligand binding properties of integrins have been shown to be cell type specific. The reason for this is not known, but our observations suggest that cell types with a higher integrin activation state have lower ligand selectivity, and vice versa. Furthermore, we solved the three-dimensional structure for the activated form of the collagen receptor α1I domain. This structure revealed a novel intermediate conformation not previously seen with any other integrin αI domain. This is the first 3D structure for an activated collagen receptor αI domain without ligand. Based on the differences between the open and closed conformation of the αI domain we set structural criteria for a search for effective collagen receptor drugs. By docking a large number of molecules into the closed conformation of the α2I domain we discovered two polyketides, which best fulfilled the set structural criteria, and by cell adhesion studies we showed them to be specific inhibitors of the collagen receptor integrins.<br /><br /> <div>- - - - -</div> <br />Kollageenireseptori- ja leukosyytti-integriinien αI-domeenien rakenne ja toiminta <br /> <br />Integriinit ovat kahdesta erilaisesta alayksiköstä koostuvia, solukalvon läpäiseviä, signaalivälitykseen osallistuvia reseptoriproteiineja, jotka liittävät solunsisäisen aktiinimikrofilamenttitukirangan solun ulkopuoliseen proteiiniverkostoon. Kaksisuuntainen signalointi välittyy integriineissä tapahtuvien suurten rakennemuutosten kautta. Kollageenia sitovissa ja leukosyyteille ominaisissa integriineissä on αI-domeeni, joka vastaa näihin integriineihin kiinnittyvien proteiinien (ligandien) sitomisesta. Solukalvolla olevien integriinien tavoin eristetyt, liukoiset αI-domeenit esiintyvät sekä suljetussa, pienen aktiivisuuden omaavassa muodossa että avoimessa, suuren aktiivisuuden muodossa. Näin ollen liukoisilla αI-domeeneilla voidaan tutkia integriinien aktivaatioon liittyviä tapahtumia. Integriinejä on nisäkkäiden kaikissa soluissa ja ne ovat keskeisiä solujen kasvussa, liikenteessä, puolustusmekanismeissa ja ohjelmoidussa solukuolemassa. Integriineillä on merkitystä monissa taudeissa, kuten tulehdus- ja verisuonitaudeissa sekä syövissä, ja siksi viime vuosina on runsaasti panostettu tiettyjen integriinien toimintaa estävien lääkeaineiden kehitystyöhön. <br /> <br />Ihmisellä on 24 erilaista integriiniä. Väitöskirjassa tutkittiin ihmisen kollageenireseptori-integriinejä, joita on neljä (α1β1, α2β1, α10β1, α11β1), ja leukosyytti-integriinejä, joita on viisi (αLβ2, αMβ2, αXβ2, αDβ2, αEβ7). Nämä integriinit sitovat melko epäselektiivisesti erilaisia molekyylejä. Ensimmäistä kertaa näillä integriineillä tutkittiin systemaattisesti aktivoitumisen vaikutuksia ligandien sitomiseen ja ligandiselektiivisyyteen. Väitöskirjatyön tulokset ovat tärkeitä paitsi näiden integriiniperheiden osittain päällekkäisten toimintojen ymmärtämiselle, mutta myös integriineihin kohdistuvalle lääkekehitykselle. Tulokset osoittavat, että integriinien aktivoituessa niiden kyky tunnistaa ligandeja heikkenee. Joidenkin integriinien sitomisominaisuuksien on havaittu riippuvan solutyypistä. Syytä tähän ei tiedetä, mutta tuloksiemme perusteella suuren integriiniaktiivisuuden omaavat solut saattavat pystyä sitomaan useammanlaisia proteiineja kuin pienen aktiivisuuden solut. Määritimme kollageeni-integriinin aktivoidun α1I-domeenin kolmiulotteisen rakenteen, joka osoittautui aiemmin tuntemattomaksi, αI-domeenin suljetun ja avoimen rakenteen välimuodoksi. Tämä on ensimmäinen kollageenireseptori-integriinin aktivoidun αI-domeenin rakenne ilman ligandia. Lääkekehitysprojektiin liittyen löysimme αI-domeenin suljetun ja avoimen rakenteen välisiin eroihin perustuen kaksi polyketidien luokkaan kuuluvaa yhdistettä, jotka sitoutuvat tehokkaasti kollageeni-integriinien suljettuun muotoon estäen niiden toiminnan.