Mesenchymale Wachstumsinhibition und Induktion der Differenzierung durch signalgebende Domänen von Kollagen XIV, insbesondere die N-terminale Fibronektin Typ III Homologie

Abstract

Kollagen XIV ist ein Molekül der extrazellulären Matrix, das insbesondere in differenziertem Gewebe und in späten Stadien der embryonalen Entwicklung exprimiert wird. Da Kollagen XIV in stark proliferierendem oder entdifferenziertem Gewebe fast nicht nachweisbar ist, ist eine funktionelle Rolle in der Erhaltung der Zelldifferenzierung anzunehmen. In dieser Arbeit wurde eine antiproliferative, Quieszenz- und Differenzierung-induzierende Wirkung von humanem Kollagen XIV und seinen rekombinaten Fragmenten auf mesenchymale Zellen nachgewiesen. Bei humanen Hautfibroblasten, Mausfibroblasten und 3T3-L1 Präadipozyten konnte die Proliferation signifikant reduziert werden, während die Zellzahl und die Lebensfähigkeit der Zellen unbeeinflusst blieben. Die Zellen zeigten keine Zeichen einer verstärkten Apoptose und durch erhöhtes Nährstoffangebot konnte wieder eine maximale Proliferation erreicht werden. Das weist darauf hin, dass durch Kollagen XIV eine reversible zelluläre Quieszenz ausgelöst wird. Die Gegenwart von Kollagen XIV führte bei Fibroblasten in vitro zu einer Veränderung des Wachstumsmusters dahingehend, dass sich Zellaggregate und Ringstrukturen ausbildeten, die als Differenzierungshinweis interpretiert wurden. Außerdem konnte durch Kollagen XIV eine Transformierung von 3T3-L1-Präadipozyten zu Adipozyten angestoßen werden, die durch eine Vermehrung von intrazellulären Fetttröpfchen nachgewiesen wurde. Mittels rekombinanter Fusionspeptide konnte die für diese Effekte verantwortliche Domäne auf Kollagen XIV identifiziert werden: Das aminoterminale Kollagen XIV-Teilstück Gln29-Pro154, das die erste Fibronektin- Typ III-Domäne und die carboxyterminal angrenzenden 39 Aminosäuren beinhaltet, induzierte die gleichen Effekte - nur stärker - wie das Kollagen XIV-Molekül. Interessanterweise trägt dieses Teilstück auch die Zellrezeptor- Bindungsstelle. Bei den übrigen Kollagen XIV-Fragmente konnten diese Wirkungen nicht beobachtet werden. Somit konnte die Hypothese, dass Kollagen XIV Differenzierung induziert mittels der durchgeführten Experimente bestätigt und die hierfür verantwortliche Domäne auf Kollagen XIV identifiziert werden. Daraus lassen sich möglicherweise für die Zukunft neue Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen ableiten, z.B. die Entwicklung von Kollagen XIV- Analoga, um Prozesse wie das Tumorwachstum oder die Differenzierung von Stammzellen zu modulieren.

Collagen XIV (CXIV), an extracellular matrix component associate with fibrillar collagens, is produced by mesenchymal cells and is mainly expressed in well-differentiated tissues and in late embryonic development. Since CXIV is almost absent in proliferating and/or dedifferentiated tissues, it might itself be important for cell differentiation. In this work the anti- proliferative, quiescence- and differentiation-inducing effects of human CXIV and its recombinant fragments on mesenchymal cells were investigated. In primary human fibroblasts, in mouse 3T3 fibroblasts and in 3T3-L1 preadipocytes, CXIV reduced de novo-DNA synthesis by 75%, while cell numbers and viability remained unaltered. Cells showed no signs of apoptosis and maximal proliferation was restored when serum was supplemented, thus indicating, that CXIV induced reversible cellular quiescence. Within 44 h on CXIV in vitro human and mouse 3T3 fibroblasts were organized to bundle-like clusters. CXIV also triggered trans-differentiation of 3T3-L1 preadipocytes into adipocytes, as could be shown by lipid accumulation. A recombinant GST- fusion protein fragment containing the first fibronectin type III domain and a 39 amino acid extension (Q29-P154) was sufficient to induce differentiation whereas all other recombinant collagen XIV fragments had no significant effects. Thus, the N-terminal Q29-P154 fragment was identified to harbor the sequence responsible for the collagen XIV-induced quiescence and differentiation in cells of mesenchymal origin. Based on these finding the development of small molecular analogs that modulate fibroblast cell growth and differentiation, e.g. in wound healing and fibrosis would be of great interest.