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Dipeptidylpeptidase IV/CD26

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Die Eigenschaften und biologische Funktionen der Dipeptidylpeptidase IV (DPPIV/CD26)

Abb. 1: Schematische Darstellung der Proteinwechselwirkungen und Signalumsetzungen der Dipeptidylpeptidase IV (CD26)

DPPIV/CD26, ein transmembranäres Typ II-Glykoprotein mit Exopeptidase-Aktivität ist ubiquitär exprimiert, besonders hoch in Niere, Leber und T-Lymphocyten. Als Homodimer übt sie drei Hauptfunktionen aus:

  • Über ihre Peptidaseaktivität spaltet sie Dipeptide nach Prolin oder Alanin ab und aktiviert dadurch eine Reihe von Chemokinen wie das Neuropeptid Y oder die Glucagon-Like-Peptides.
  • Sie ist ein Rezeptor für Komponenten der extrazellulären Matrix (Kollagen I und Fibronektin).
  • Sie ist ein Costimulator bei der T-Lymphocyten-Aktivierung, wobei ihre Interaktionen mit der Adenosindesaminase (ADA), der Protein-Tyrosinphosphatase (CD45), HIV-1-Hüllprotein gp120, HIV-1-Transaktivator (TAT) und möglicherweise weiterer Proteine funktionell bedeutsam sind (Abb. 1).

Die Primärstruktur und des katalytischen Zentrums von DPPIV/CD26 und Annexin VI

Die cDNAs von DPPIV/CD26, APN/CD13 und Annexin VI wurden isoliert, kloniert, sequenziert, in verschiedenen Zellsystemen exprimiert und charakterisiert (Veröffentlichung: Fan et al., 1995). Die Beteiligung des Annexins 33 kDa an der Bindung vom Influenza-Virus wurde identifiziert (Veröffentlichung: Otto et al., 1994). Die Eigenschaften der Primärstruktur und des katalytischen Zentrums von DPPIV/CD26 wurde charakterisiert (Veröffentlichung: Reutter et al., 1995).

Biologische Bedeutung der N-Glykosylierung und der Cysteine für biochemische Eigenschaften und Funktionen von DPPIV/CD26

Die Biologische Bedeutung der N-Glykosylierung und Cysteine für biochemische Eigenschaften und Funktionen von DPPIV/CD26 wurde untersucht. Wir haben herausgefunden, dass die N-Glykosylierung eine wichtige Rolle für die richtige Faltung des Glykoproteins mit der Ausbildung einer funktionellen Einheit spielt. Fehler der Faltung, die durch Defekte der N-Glykosylierung entstanden sind, können zu einem Festhalten des neu synthetisierten Moleküls im ER und anschließend zum Abbau führen. Zusätzlich wurde in diesen Arbeiten herausgefunden, dass die N-Glykane an der Adhäsion der DPPIV/CD26 auf Kollagen 1 beteiligt sind (Veröffentlichung: Fan et al., 1997;  Fan et al., 2001).
Die Primärsequenz der DPPIV/CD26 enthält zwölf Cysteinreste. Durch chemische Titrationsexperimente und molekularbiologische Arbeiten konnten wir zeigen, dass offensichtlich die Ratten-DPPIV/CD26 mindestens drei funktionell bedeutsame intramolekulare Disufidbrücken besitzt. Cysteinreste sind an der Ausbildung von Disulfidbrücken beteiligt und für die korrekte Faltung und das intrazelluläre Trafficking essentiell (Veröffentlichungen: Dobers et al., 2000; Fan et al., 2001).

DPPIV/CD26 bei der T-Zell-Aktivierung und Immunregulation

Die DPPIV/CD26-abhängige T-Zell-Aktivierung wurde mittels DPPIV/CD26-transfizierter Jurkat-Zellen (humane T-Zellinie, DPPIV/CD26 negativ)  untersucht. Wir konnten zeigen, dass ADA offensichtlich an der Stimulation der DPPIV/CD26-vermittelten Ausschüttung von IL-2 nicht beteiligt ist. Ihre Enzymaktivität ist dafür nicht notwendig. Außerdem wurde diese IL-2-Ausschüttung stark vom Kollagen Typ I blockiert (Veröffentlichung: Fan et al., 2002). An PWM-stimulierten DPP IV/CD26-defizienten Mäusen konnten wir zeigen, dass die IL-4-Freisetzung sowie die Konzentrationen von IgG und IgE in den DPP IV/CD26-defizienten Mäusen deutlich reduziert sind (Veröffentlichungen: Yan et al., 2003; Yan et al., 2004). Weiterhin wurden die Rolle und die funktionellen Mechanismen der DPPIV/CD26 bei der Immunantwort und definierten Immunerkrankungen untersucht werden. Zur Charakterisierung der biologischen Funktionen von DPP IV/CD26 wurden Mausmodelle für eine Allergie (Immunisierung mit Ovalbumin), für eine Infektion (Mycobacterium bovis-BCG) und für eine Autoimmunerkrankung (experimentelle autoimmune Encephalomyelitis, EAE) herangezogen. Im Vergleich mit Wildtyp-Mäusen zeigten DPP IV/CD26-defizienten Mäusen wesentlich erhöhte OVA-induzierte Entzündungen in der Lunge und im Luftweg. Sowohl die mRNA-, als auch die Protein-Expression der TH2-Cytokine IL-4, IL-5 und IL-13 in der Lunge der DPP IV/CD26-defizienten Mäuse nahm deutlich zu. Außerdem, war die Spiegelung des Serum IgGs, inklusive IgG1 und IgG2a sehr stark reduziert (Veröffentlichung: Yan et al., 2012). In den geplanten Versuchen sollen die Rolle und die funktionellen Mechanismen der DPPIV/CD26 bei der Abstoßung der Organtransplantation untersucht werden.

3D- und Kristallstrukturen der DPPIV/CD26 und der Komplexe aus DPPIV/CD26 und ihren Interaktionspartnern durch Cryo-Transmission-Elektromikroskopie und Röntgenanalyse

Abb. 2 links: Die 3D-Struktur des Rat DPPIV/CD26 rekonstruiert durch Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie
Abb. 3 rechts: Die Kristallstruktur des hDPPIV/CD26-bADA-Komplexes

Bisher haben wir in Zusammenarbeit mit Dr. Böttcher (Freie Universität Berlin) die 3D-Strukturen von DPPIV/CD26 sowie des Komplexes aus DPPIV/CD26 und ADA aufgeklärt (Veröffentlichungen: Ludwig et al 2003, Ludwig et al., 2004) (Abb. 2), und schließlich gelang uns in Zusammenarbeit mit Professor Dr. Saenger (Freie Universität Berlin) die Gewinnung und Analyse von Kristallstrukturen des DPPIV/ADA- und des DPPIV/Tat-Nonapeptid-Komplexes (Veröffentlichungen: Weihofen et al., 2004, Weihofen et al., 2005) (Abb. 3). Nun sollen die 3D- und Kristallstrukturen der Komplexe der DPPIV/CD26 mit weiteren Proteinen, die mit der Funktion von DPPIV/CD26 in Verbindung stehen, wie z. B. Protein-Tyrosinphosphatase CD45, HIV-Hüllprotein-gp120, Chemokinrezeptor CXCR4 und HIV-Transaktivator (TAT) mittels Cryo-TEM und Einzelpartikelanalyse und der Röntgenstrukturanalyse untersucht werden.

Interaktion der DPPIV/CD26 mit ihrer Partnerproteinen und Signaltransduktion der DPPIV/CD26

Die Interaktionen zwischen DPPIV/CD26 und Chemokinrezeptor CXCR4, zwischen DPPIV/CD26 und Protein-Tyrosinphosphatase CD45, zwischen DPPIV/CD26 und Adenosindesaminase (ADA), zwischen DPPIV/CD26 und HIV-1-Transaktivator (TAT) sowie zwischen DPPIV/CD26 und HIV-1-gp120 sollen in der Zelle oder auf der Zelloberfläche untersucht werden. Die durch diese Interaktionen ausgelöste Signaltransduktionen bzw. der Einfluss dieser Interaktionen auf die Funktionen dieser Proteine sollen ermittelt werden. Wir haben herausgefunden, dass nach der Bindung der DPPIV/CD26 zu ADA, die enzymatische Aktivität beider Enzyme nicht beeinträchtigt wurde. Die Bindung des HIV-1-TATs zu DPPIV/CD26 inhibierte die enzymatische Aktivität der DPPIV und das HIV-1-gp120-Protein verhindert die Bindung der DPPIV/CD26 zu ADA. Wir konnten nachweisen, dass DPPIV/CD26 und HIV-1-TAT nach der Ko-Expression beider Proteine in Sf9-Zellen ko-lokalisiert waren und ko-immunpräzipitiert werden konnten. Die Tyrosin-Phosphorylierung der DPPIV/CD26-Protein war bei seiner Ko-Expression mit dem HIV-1-TAT-Protein wesentlich erhöht, jedoch war die Serin-Phosphorylierung des TAT-Proteins bei seiner Ko-Expression mit dem DPPIV/CD26-Protein reduziert. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Interaktion der DPPIV/CD26 und HIV-1-TAT an der Regulation der Funktionen beider Proteine bzw. an der HIV-Infektion beteiligt sein werden könnte (Veröffentlichung: Tansi et al., 2010).