Collagen receptor integrins : evolution, ligand binding selectivity and the effect of activation

Abstract

Integriinit ovat solun pinnan valkuaisaineperhe, joilla solu kiinnittyy ympäristöönsä ja toisiin soluihin. Integriinit muodostuvat kahdesta erilaisesta alayksiköstä, alfa- ja beetayksiköstä. Ne osallistuvat elimistön normaaliin toimintaan, kuten solujen kasvun, liikkumisen ja erilaistumisen säätelyyn, mutta ovat osallisina myös monissa patologisissa tiloissa, kuten verisuonitukosten synnyssä, tulehduksissa ja syövän etäpesäkkeiden muodostumisessa.Mira Tulla tutki niitä integriinireseptoriperheen jäseniä, jotka toimivat kollageenin tunnistajina. Kollageeni on elimistössämme runsaimmin esiintyvä valkuaisaine, josta tunnetaan noin 30 alatyyppiä. Kollageenireseptori-integriinit sitoutuvat kollageeniin erityisellä I-domeenilla. Tutkimusta varten tuotettiin yhdistelmä-DNA-tekniikalla kollageenireseptori-integriinien I-domeeneja (alfa-1, alfa-2, alfa-10 ja alfa-11). I-domeenien rakennetta muutettiin pistemutaatioiden avulla ja rakennemuutosten vaikutusta ligandinsitomiseen tutkittiin sitoutumiskokein.Joidenkin kollageenireseptori-integriinien on havaittu jo aiemmissa tutkimuksissa sitovan eri kollageenityyppejä valikoivasti. Tullan tutkimus on ensimmäinen, jossa selvitettiin integriini alfa-10 I-domeenin kollageeninsitomisprofiili.Integriinien toimintaa ja aktiivisuutta säädellään niiden kolmiulotteisen rakenteen muutosten avulla. Integriinin I-domeeni voi esiintyä ainakin kahdessa erilaisessa kolmiulotteisessa rakenteessa, ns. avoimessa ja suljetussa muodossa, jotka sitovat soluväliaineen valkuaisaineita erilaisilla voimakkuuksilla.Tulla tutki integriinien alfa-1 ja alfa-2 I-domeenien avoimen rakenteen ligandin tunnistusta. Sitomisvalikoivuuden kollageenin suhteen havaittiin heikkenevän kun domeeni on avoimessa muodossa. Sitoutumisvoimakkuus sen sijaan kasvoi.Tulla tutki Ciona intestinalisin yhtä integriini-I-domeenia. Sen havaittiin kykenevän sitoutumaan säikeisiin kiinnittyvään kollageeni tyyppi IX:ään, mutta selkärankaisista poikkeavalla mekanismilla. Havainto osoittaa kollageenireseptoreiden kehittyneen jo oletettua aiemmin.

The collagen receptor integrins α1β1, α2β1, α10β1 and α11β1 belong to a subgroup of integrins with an inserted ligand binding αI domain. Here, the binding selectivities of the integrin α1I, α2I, α10I and α11I domains were elucidated. All αI domains had their own binding preferences. The ligand binding pattern of the integrin α10I domain was similar to the α1I domain; both domains favored non-fibrillar collagen types IV and VI over fibril-forming ones. The integrin α2I domain ligand pattern was the opposite. The collagen receptor αI domains mediated laminin binding as well, although with weaker avidity than for collagen. One residue; α1IR218, α2ID219 and α10IR218 in the corresponding αI domain, was found to have an important role in the determination of the ligand selectivity.When integrins are activated the αI domain assumes a so-called open conformation. This conformation can be mimicked with a certain mutation. The constitutively active mutants of the α1I and α2I domains showed decreased selectivity towards collagens, although their binding to laminins was enhanced. The activation seems to be prerequisite for integrin α2I domain laminin binding.Collagen receptor integrins have been considered as a vertebrate invention. However, recent genome sequencing of the tunicate species Ciona intestinalis revealed the presence of αI domain containing integrins. The Ciona α1I domain bound to collagen IX, but with a Mg-independent mechanism. The Ciona α1I domain did not recognize GFOGER or related sequences that are well-known binding motifs for vertebrate collagen receptor integrins. Moreover, the GFOGER motif was not found in Ciona collagens. The observation suggests that collagen receptor integrins may have evolved already in early chordates but the GFOGER based collagen binding mechanism is a later development