Struktur und altersbedingte Veränderungen des ... · Aufbau und Struktur der extrazellulären Matrix im Knorpel Altersbedingte Veränderungen der Matrixkomponenten Matrixveränderungen

Struktur und altersbedingte Veränderungen des Collagennetzwerkes

Frank ZauckeZentrum für BiochemieMedizinische Fakultät

Universität zu Köln

18. Kongreß der EWMM Manualmedizin in der 2. LebenshälfteKöln, 10.04.2010

Institut für Biochemie, Universität zu Köln

Zentrum Biochemie in Köln


Gliederung

Aufbau und Struktur der extrazellulären Matrix im Knorpel

Altersbedingte Veränderungen der Matrixkomponenten

Matrixveränderungen während der Osteoarthrose

Mutationen in Matrixproteinen, die zu skeletalen Erkrankungen führen


Gliederung






Artikulärer Knorpel

M. Goldring


Die extrazelluläre Knorpelmatrix

D. Heinegard


Territoreale / Interterritoreale Matrix

Hagg et al 1998, J Cell Biol


Collagen – Typen

Klasse Typ

Fibrilläre Collagene Collagen Typ I, II, III, V und XI

Netzbildende Collagene Collagen Typ IV (Lamina densader Basalmembran), VIII und X

Fibrillenassoziierte Collagene(FACIT) Collagen Typ IX, XII, XIV, XXII

Perlenschnurartige Collagene Collagen Typ VI

Verankerungsfibrillen Collagen Typ VIICollagene mit Transmembrandomänen

Collagen Typs XIII, XVII, XXIII und XXV


Collagen – Aufbau einer Knorpelfibrille

Eyre 2004, Clin Orthop Rel Res


Aufbau einer dünnen Knorpelfibrille (Ø20 nm)

Holmes & Kadler 2006, PNAS

Collagen II

Collagen XI


Aggrecan


Aggrecan

Han et al 2007, Biophys J


Perifibrilläre Proteine


AggrecanCollagen II

Collagen VI

CHAD

Matrilin

BGN/DCN

Supramolekularer Aufbau – Ein Modell

Wiberg et al 2003, J Biol Chem


Regulation des Fibrillendurchmessers

dünn

dick

mittel



Matriline

Matrilin-1

Kniegelenk einer Maus

Matrilin-3

Matrilin-3

Knorpelzellen


Cartilage Oligomeric Matrix Protein (COMP)

COMP unterstützt die Bildung von Fibrillen und reguliert deren Durchmesser

Halasz et al 2007, J Biol ChemChen et al 2000, J Biol Chem


Aufbau und Struktur der extrazellulären Matrix

2 Suprastrukturen Collagennetzwerk (Collagen II, XI) Proteogylcangel (Aggrecan)

Proteine der Fibrillenperipherie (perifibrillär) FACIT Collagene (Collagen IX) SLRPs (Decorin, Biglycan,…) nicht-collagene Glycoproteine (COMP, matrilins,…)


Gliederung






Aggrecan (extrahiert aus bovinem Knorpel)

Martin & Buckwalter 2002, Biogerontology

fetal

adult

juvenil

Hyaluronsäure (human):• Gehalt steigt von 2.5 bis 86 Jahren

kontinuierlich von 0.5 auf 2.5 µg/mg Knorpel

• Länge sinkt von Mr 2 x 106 to 3 x 105


Aggrecan

Dudhia 2005, Cell Mol Life Sci


Atomkraftmikroskopie

Ng et al 2003, J Struct Biol


Atomkraftmikroskopie

Graham et al 2010, Matrix Biol

Bandscheibe, bovin Gelenkknorpel, human


Aggrecan


fetal mature


Aggrecan


fetal mature


Aggrecan


fetal mature



Aggrecan



Collagen – Fibrillendurchmesser im Alter


adult

fetal

Der Fibrillendurchmesser nimmt mit dem Alter zu


Collagen - Modifikationen

Leeming et al 2009, Osteoporos Int


Collagen - Halbwertszeit

„From the age-related increases in % D-Asp the half-life ofcartilage collagen was calculated to be 117 years and that ofskin collagen 15 years, thereby providing the first reasonableestimates of the half-lives of these collagens“


Serum COMP Konzentration im Altersverlauf

Jordan et al 2003, Arthritis Rheum


Gliederung



Veränderungen während der Osteoarthrose


Institut für Biochemie, Universität zu Köln Säämänen & Vuorio 2007

Verlauf der Osteoarthrose (OA)

OA = old age ?


Sequenzieller Abbau der Knorpelmatrix

Heinegard, 2007; Little et al 2007

1. 2. 3.

4. 5. 6.

1-2 3-4 5-6


Aggrecan Collagen

Aggrecanasen (ADAMTS-4,5)

MMPsMMP3 MMP1,3,13

ADAMTS-3MMP1,8,13,14

BMP1

Heinegard 2009 ; Sandy, 2009

Proteolytischer Abbau von Matrixkomponenten


Vilim et al 2009, Osteoarthritis & Cartilage

decrease in JSW (mm)

Change in Kellgren Lawrence grade

Serum COMP Konzentration bei OA


Veränderungen im Alter und bei der OA

Chemische Modifikationen funktionelle Auswirkungen

Proteolytischer Abbau der Matrix Mangel an bestimmten Komponenten beeinflusst

Struktur und Stabilität


Osteoarthrose– Mutationen in Matrilin-3


Gliederung



Veränderungen während der Osteoarthrose



Osteochondrodysplasien

heterogene Gruppe von mehr als 300 Krankheiten

individuelle Formen z.T. sehr selten

u.a. verursacht durch Mutationen in Proteinen der Knorpelmatrix

skeletale Entwicklung ist beeinträchtigt Kleinwuchs früh einsetzende Osteoarthrose

molekulare Mechanismen sind weitgehend unklar


Mutationen in Matrixproteinen des Knorpels

COMP

Matrilin-3

Collagen IX (α1), (α2), (α3)

PSACH, MED

MED

MED, SEMD, hand OA

Mutiertes Gen Chondrodysplasie

PSACH – pseudoachondroplasiaMED – multiple epiphyseal dysplasiaSE(M)D – spondyloepi(meta)physeal dysplasiaOA - osteoarthritis

Collagen-II SED, Stickler Syndrome

Aggrecan

Collagen II

SEMD Aggrecan type


Borochovitz et al 2007

Chondrodysplasien

Hall et al 2007 Tompson et al 2009, Am J Hum Genet

Matrilin-3 AggrecanCOMP


Biopsie vs. ZellkulturmodellBiopsie eines Patienten mit MED (Mutation in Matrilin-3)

Primäre Knorpelzellen, die mutiertes Matrilin-3 exprimieren

N

rER

N

N – NucleusrER – raues ER

p.Arg121Trp

Cotterill et al, 2005 Otten et al, 2005

N

rER


Biopsie vs. Zellkulturmodell

Knorpelbiopsie eines PatientenMit PSACH (COMP Mutation)

Primäre Knorpelzellen, die mutiertes COMP exprimieren

Hecht et al, 2001; 2005; Maddox et al, 1997 Dinser et al, 2002


+ mutiertes COMP+ wildtypisches COMP

Collagenfibrillogenese in vitro


Molekulare Mechanismen bei Chondrodysplasien

Retention von Matrixproteinen ‚Speicherkrankheiten‘

Beeinträchtigung der Matrixstruktur Dominant negativer Effekt auf Assemblierung und

Stabilität der Matrix


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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