Identifizierung und Charakterisierung der biologischen Funktion von PolySia-NCAM in humanem Lungengewebe

Abstract

Bei Polysialinsäure (PolySia) handelt es sich um ein Homopolymer aus alpha 2,8-verknüpften N-Acetylneuraminsäuren, welches überwiegend als posttranslationale Modifikation des neuralen Zelladhäsionsmoleküls NCAM in Säugetieren vorliegt. Durch die hohe Anzahl an negativ geladenen Carboxylgruppen erschwert PolySia die Zelladhäsion und spielt damit eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Zellkontakten und Migrationsprozessen. Die große Bedeutung von PolySia wird im Zuge eines knock out-Modells deutlich, in dem die Abwesenheit des Moleküls zu einem letalen Phänotyp in der Maus führte. Während die funktionelle Relevanz von PolySia im Nervensystem bereits vielfach untersucht wurde, ist deren Rolle in anderen Organsystemen noch weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde PolySia-NCAM in der humanen, adulten Lunge vorwiegend auf bronchialen Epithelzellen detektiert. Unter Zuhilfenahme eines Zellkulturmodells konnte weiterhin gezeigt werden, dass Interleukin-1beta (IL-1beta) oder Lipopolysaccharid (LPS) von gram-negativen Bakterien zu einem ectodomain shedding des Glykoproteins führen, was wiederum die Freisetzung von löslichem PolySia-NCAM-110 induziert. Darüber hinaus konnten auch in Lungengewebe von Patienten, die an der chronisch-inflammatorischen Lungenkrankheit COPD (chronic obstructive pulmonary disease) litten, welche mit einem erhöhten IL-1beta-Spiegel einhergeht, gesteigerte Mengen an löslichem PolySia-NCAM-110 detektiert werden. Letzteres konnte auch in entzündlichem Gewebe Bleomycin-behandelter Mäuse nachgewiesen werden, nicht jedoch in der fibrosierenden, nicht-entzündlichen Lungenerkrankung IPF (Idiopathisch pulmonale Fibrose). Zusätzlich wurde gezeigt, dass lösliches PolySia-NCAM-110 direkt mit extrazellulären Histonen sowie dem von neutrophilen Granulozyten produzierten NET (neutrophil extracellular traps) in Wechselwirkung tritt und somit in der Lage ist, deren Zytotoxizität für körpereigene Zellen abzumildern. Ausgehend von diesen Daten kann postuliert werden, dass lösliches PolySia-NCAM-110, welches im Zuge einer inflammatorischen Immunantwort des Lungengewebes durch ectodomain-shedding freigesetzt wird, eine Rolle als immunmodulatorisches Agens im Kontext der angeborenen Immunität der Lunge spielen könnte. Polysialic acid (polySia), a homopolymer consisting of alpha 2,8-linked N-acetyl neuraminic acid residues, is mainly present as a posttranslational modification of the neural cell adhesion molecule (NCAM) in mammals. Due to its high number of negatively charged carboxyl groups polySia counteracts cell adhesion and plays therefore a crucial role in the regulation of cell contact/repulsion as well as migration processes. The importance of polySia becomes apparent using a knock out model, where the absence of polySia results in a lethal phenotype in mice. While the functional impact of polySia in the neuronal system has been considerably studied, the biological relevance of polysialylation in other organ systems is less established.Within this doctoral thesis polySia-NCAM was prevalently detected on bronchial epithelial cells the in adult, human lung. Using a cell culture model, it could be further shown, that interleukin-1beta (IL-1beta) or lipopolysaccharide (LPS) from gram-negative bacteria induced an ectodomain shedding of the glycoprotein, resulting in a release of soluble polySia-NCAM-110. Moreover this soluble form could be similarly detected in lung tissue of patients suffering from COPD (chronic obstructive pulmonary disease), which comes along with high-levels of IL-1beta. PolySia-NCAM-110 is also present in inflammable tissue of bleomycin-treated mice, but not in fibrotic tissue from patients with IPF (idiopathic pulmonary fibrosis). Intriguingly, polySia-NCAM interacts with extracellular histones as well as NET (neutrophil extracellular traps) generated by neutrophil granulocytes, thus decreasing their cytotoxic effects on endogenous epithelial cells. Based on these observations it can be assumed that soluble polySia-NCAM-110, which is released by ectodomain-shedding during an inflammatory response of lung tissue, may represent a novel player within the scenario of the innate immunity of the lung.