dc.contributor.author
Hanske, Jonas
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:11:38Z
dc.date.available
2016-12-08T08:47:05.542Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/709
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4911
dc.description.abstract
Glycan recognition by glycan-binding proteins is a fundamental process of
life. Many members of the diverse family of the myeloid C-type lectin
receptors serve as immune receptors recognizing complex glycan structures on
pathogen surfaces and host cells and are involved in immune cell activation
and regulation. Their restricted expression on defined subsets of antigen
presenting cells as well as their exploitation for invasion by some adapted
pathogens such as mycobacteria and HIV, and their function in immune cell
activation render them attractive targets for novel therapies. A better
insight into the underlying molecular processes that govern glycan binding and
release as well as confer glycan specificity is a prerequisite to understand
the onset of disease and subsequently develop new therapeutic approaches. The
endocytic C-type lectin receptor Langerin, which is expressed on Langerhans
cells and specific dendritic cell subsets, was chosen as a model to gain
insight into the molecular mechanism of calcium-dependent glycan binding and
release in the early endosome that is required for recycling receptors. To
this end, biomolecular NMR provided the tools to investigate the structure and
dynamics changes of the protein upon binding and release of the essential co-
factor calcium and carbohydrate ligands. Whereas the apo form exists in two
distinct conformational states and experiences motions on timescales from
pico- to nanosecond bond vector fluctuations to very slow cis/trans prolyl
bond isomerization on the second timescale, the holo form shows highly reduced
mobility on the slower timescales. Moreover, calcium binding is controlled by
an allosteric mechanism that involves a large network of interacting residues.
This allosteric network was probed by single-residue mutations thereby
discovering the function of the network to down-regulate calcium affinity in a
partially pH-dependent manner. These findings suggest that the allosteric
network promotes fast ligand release in the early endosome. In contrast,
binding of simple and complex carbohydrate ligand did not activate the
allosteric mechanism suggesting that glycan recognition is controlled on a
higher level of organization. To assess whether the function of Langerin is
conserved within the mammalian lineage, glycan binding propensities of human
and murine Langerin were investigated side-by-side with respect to their
capability to recognize simple carbohydrates and complex microbial
polysaccharides. While recognition of simple mono- and disaccharides was
almost identical in respect to affinity and binding mode, complex glycans were
bound with both differential avidity and highly diverging specificities. In
conclusion, the findings presented within this dissertation demonstrate how
intra-domain allostery and protein dynamics regulate ligand binding and
release in an endocytic C-type lectin receptor in a co-factor dependent
manner. Moreover, this work shows how closely related glycan binding proteins
of the immune system readily adopt to the host ecological niche by evolving
differential binding specificities for complex microbial glycan ligands.
de
dc.description.abstract
Erkennung von Glykanen durch ihre Rezeptoren ist ein fundamentaler Prozess des
Lebens. Viele Mitglieder der vielfältigen Familie der myeloiden C-Typ-
Lektinrezeptoren dienen als Immunrezeptoren, welche komplexe Glykanstrukturen
auf Pathogenoberflächen und Wirtszellen erkennen, und damit häufig bei der
Immunzellaktivierung und –regulierung beteiligt sind. Ihre eingeschränkte
Expression auf definierten Untergruppen von Antigen-präsentierenden Zellen,
die Nutzung dieser Rezeptoren zur Wirtszellinvasion durch angepasste Pathogen,
wie Mykobakterien und HIV, und ihre Funktion in Immunzellaktivierung,
ermöglichen vielfältige neue Therapieansätze. Für die Entwicklung neuartiger
Ansätze ist es eine Voraussetzung, dass ein verbessertes Verständnis der
grundlegenden molekularen Prozesse erlangt wird. Besonders in Hinblick auf die
Glykanbindung und –freisetzung, sowie Glykanspezifität sind weitesgehend
unverstanden. Das endozytische C-Typ-Lectin Langerin, welches auf
Langerhanszellen und anderen Untergruppen dendritischer Zellen exprimiert
wird, wurde als Modell ausgewählt, um vertiefte Erkenntnis über den
molekularen Mechanismus der Calcium-abhängigen Glykanbindung und –freisetzung
im frühen Endosom zu gewinnen. Biomolekulare Kernspinresonanzspektroskopie
wurde erfolgreich zur Untersuchung der Struktur- und Dynamikveränderungen des
Proteins durch Bindung und Freisetzung von Calcium und Kohlenhydratliganden
eingesetzt. Während die Apoform des Rezeptors in zwei unterschiedlichen
Konformationen existiert und molekulare Bewegungen von
Bindungsvektorfluktuation im Pico- bis Nanosekundenbereich bis hin zu sehr
langsamer cis/trans-Isomerisierung einer zentralen Prolinpeptidbindung im
Sekundenbereich erfährt, ist die Holoform in einer Konformation gefangen und
zeigt reduzierte Mobilität auf der Micro- bis Millisekundenzeitskala. Zudem
wird Calciumbindung durch einen allosterischen Mechanismus kontrolliert,
welcher ein großes Netzwerk interagierender Reste umfasst.
Einzelpunktmutationen haben gezeigt, dass das allosterische Netzwerk die
Calciumaffinität abhängig vom pH-Wert der Umgebung reduziert. Die Ergebnisse
suggerieren, dass das allosterische Netzwerk die schnelle Freisetzung von
Liganden im frühen Endosom begünstigt. Dagegen hat die Bindung von einfachen
und komplexen Kohlenhydratliganden das allosterische Netzwerk nicht aktiviert,
was darauf hindeutet, dass Glykanerkennung auf einer höheren
Organisationsebene kontrolliert wird. Um zu ermitteln, ob die Funktion von
Langerin in Säugetierspezies konserviert ist, wurden die
Glykanbindungseigenschaften von humanen und murinen Langerin parallel
untersucht. Dabei wurde insbesondere die Fähigkeit zur Erkennung von einfachen
Kohlenhydraten und komplexen bakteriellen Polysacchariden untersucht. Während
die Erkennung von einfachen Strukturen in Bezug auf Affinität und
Bindungsmodus fast identisch war, wurden komplexe Glykane mit
unterschiedlicher Avidität und Spezifität erkannt. Zusammenfassend zeigen die
in dieser Dissertation präsentierten Erkenntnisse, wie Intradomänenallosterie
und Proteindynamik Ligandenbindung und –freisetzung in einem endozytischen C
-Typ-Lectin Kofaktor-abhängig steuern. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie
im Immunsystem eng verwandte Glykan-bindende Proteine sich durch
differenzierte Spezifität für mikrobielle Glykanliganden schnell an ihre
ökologische Nische anpassen können.
de
dc.format.extent
XII, 170 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
C-type lectin receptor
dc.subject
innate immunity
dc.subject
glycan reocognition
dc.subject
calcium binding protein
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
dc.title
Investigation of the Structural Basis of Ligand Recognition of the C-Type
Lectin Receptor Langerin
dc.contributor.contact
jonas.hanske@mpikg.mpg.de
dc.contributor.firstReferee
Dr. Christoph Rademacher
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Markus Wahl
dc.date.accepted
2016-09-19
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103036-0
dc.title.translated
Erforschung der Strukturgrundlage der Liganderkennung des C-Typ-
Lektinrezeptors Langerin
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103036
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020559
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access