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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
Institut für Biochemie, Universität zu 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
Institut für Biochemie, Universität zu 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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Artikulärer Knorpel
M. Goldring
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Die extrazelluläre Knorpelmatrix
D. Heinegard
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Territoreale / Interterritoreale Matrix
Hagg et al 1998, J Cell Biol
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Collagen – Aufbau einer Knorpelfibrille
Eyre 2004, Clin Orthop Rel Res
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aufbau einer dünnen Knorpelfibrille (Ø20 nm)
Holmes & Kadler 2006, PNAS
Collagen II
Collagen XI
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Han et al 2007, Biophys J
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Perifibrilläre Proteine
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
AggrecanCollagen II
Collagen VI
CHAD
Matrilin
BGN/DCN
Supramolekularer Aufbau – Ein Modell
Wiberg et al 2003, J Biol Chem
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Regulation des Fibrillendurchmessers
dünn
dick
mittel
Hagg et al 1998, J Cell Biol
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Matriline
Matrilin-1
Kniegelenk einer Maus
Matrilin-3
Matrilin-3
Knorpelzellen
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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,…)
Institut für Biochemie, Universität zu 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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Dudhia 2005, Cell Mol Life Sci
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Atomkraftmikroskopie
Ng et al 2003, J Struct Biol
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Atomkraftmikroskopie
Graham et al 2010, Matrix Biol
Bandscheibe, bovin Gelenkknorpel, human
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Ng et al 2003, J Struct Biol
fetal mature
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Ng et al 2003, J Struct Biol
fetal mature
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Ng et al 2003, J Struct Biol
fetal mature
Ng et al 2003, J Struct Biol
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Aggrecan
Ng et al 2003, J Struct Biol
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Collagen – Fibrillendurchmesser im Alter
Hagg et al 1998, J Cell Biol
adult
fetal
Der Fibrillendurchmesser nimmt mit dem Alter zu
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Collagen - Modifikationen
Leeming et al 2009, Osteoporos Int
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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“
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Serum COMP Konzentration im Altersverlauf
Jordan et al 2003, Arthritis Rheum
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Gliederung
Aufbau und Struktur der extrazellulären Matrix im Knorpel
Altersbedingte Veränderungen der Matrixkomponenten
Veränderungen während der Osteoarthrose
Mutationen in Matrixproteinen, die zu skeletalen Erkrankungen führen
Institut für Biochemie, Universität zu Köln Säämänen & Vuorio 2007
Verlauf der Osteoarthrose (OA)
OA = old age ?
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Sequenzieller Abbau der Knorpelmatrix
Heinegard, 2007; Little et al 2007
1. 2. 3.
4. 5. 6.
1-2 3-4 5-6
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Aggrecan Collagen
Aggrecanasen (ADAMTS-4,5)
MMPsMMP3 MMP1,3,13
ADAMTS-3MMP1,8,13,14
BMP1
Heinegard 2009 ; Sandy, 2009
Proteolytischer Abbau von Matrixkomponenten
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Vilim et al 2009, Osteoarthritis & Cartilage
decrease in JSW (mm)
Change in Kellgren Lawrence grade
Serum COMP Konzentration bei OA
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Veränderungen im Alter und bei der OA
Chemische Modifikationen funktionelle Auswirkungen
Proteolytischer Abbau der Matrix Mangel an bestimmten Komponenten beeinflusst
Struktur und Stabilität
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Osteoarthrose– Mutationen in Matrilin-3
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Gliederung
Aufbau und Struktur der extrazellulären Matrix im Knorpel
Altersbedingte Veränderungen der Matrixkomponenten
Veränderungen während der Osteoarthrose
Mutationen in Matrixproteinen, die zu skeletalen Erkrankungen führen
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
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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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Borochovitz et al 2007
Chondrodysplasien
Hall et al 2007 Tompson et al 2009, Am J Hum Genet
Matrilin-3 AggrecanCOMP
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
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
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
+ mutiertes COMP+ wildtypisches COMP
Collagenfibrillogenese in vitro
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Molekulare Mechanismen bei Chondrodysplasien
Retention von Matrixproteinen ‚Speicherkrankheiten‘
Beeinträchtigung der Matrixstruktur Dominant negativer Effekt auf Assemblierung und
Stabilität der Matrix
Institut für Biochemie, Universität zu Köln
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!