Lymphologische (Grundlagen-)Forschung: wie funktioniert das?

PD Dr. Michael Jeltsch, Universität Helsinki & Wihuri-Forschungsinstitut, Haartmaninkatu 8, FIN-00290 Helsinki, michael@jeltsch.org

Wissenschaft basiert auf den Resultaten vorausgegangener Forschung; wir sind Zwerge auf den Schultern von Riesen1. Dieser Vortrags will zeigen, wie wir von einer Fragestellung zur nächsten treiben und uns so langsam und mit Umwegen dem Gesamtverständnis der Entwicklung und des Wachstums des Lymphgefäßsystems nähern.

Gene des VEGF-C/VEGFR-3 Signaltransduktionswegs können von Mutationen betroffen sein, die sich direkt in erblichen Lymphödemen oder als Prädisposition für erworbene Lymphödeme manifestieren. Z.B verursachen Mutationen im Wachstumsfaktor VEGF-C (Vascular Endothelial Growth Factor-C)2 und seinem Rezeptor VEGFR-33 erbliche Lymphödeme. 2009 wurden Mutationen im CCBE1-Gen als Ursache des Hennekam-Syndroms (Hauptsymptom: generalisiertes Lymphödem) identifiziert4. Daraufhin haben wir die Molekularpathogenese des Hennekam-Syndroms erforscht. Die wichtigsten Ergebnisse: 1) VEGF-C muss enzymatisch geschnitten werden, um aktiv zu werden, 2) Das verantwortliche Enzyme ist ADAMTS3 3) CCBE1 beschleunigt die VEGF-C-Aktivierung.5

Wie die Beschleunigung funktioniert, war unbekannt. Das CCBE1-Protein besteht aus zwei unterschiedlichen Teilen („Domänen“). Verschiedene Labore waren sich uneinig, welche der beiden Domänen die Beschleunigung verursacht6,7. Letztendlich zeigt sich, dass beide Domänen unabhänig voneinander die VEGF-C-Aktivierung beschleunigen. Die N-terminale Domäne tut dies, indem sie VEGF-C und ADAMTS3 z.B. auf Zelloberflächen konzentriert8. Die CCBE1- und die ADAMTS3- Knock-out-Mäuse9,10 bestätigten unsere Ergebnisse: in diesen Mäusen entwickelt sich das Lymphgefäßsystem nicht. Danach wollten wir wissen, ob es ausser ADAMTS3 andere Enzyme gibt, die VEGF-C aktivieren. Wir vermuteten, dass solche Enzyme am pathologisches Lympfgefäßwachstum bei Tumorerkrankungen oder an der Wundheilung beteiligt sein könnten.

Auf die richtige Spur brachte uns Matsumura et al., der eine Tetrapeptid-Bibliothek mit Kallikrein-like pepdidase 4 (KLK4) gescreent und daraufhin ~70 potentielle Substrate für KLK4 postuliert hatte, darunter auch VEGF-C11. Wir haben erfolglos KLK4 getestet, aber KLK3 (= Prostata-spezifisches Antigen) aus unserem Nachbarlabor war erfolgreich. Die physiologische Funktion von PSA ist die Verflüssigung des Ejakulats, damit Spermatozoen schwimmen können. Wir fanden beträchtliche Mengen VEGF-C in Samenfüssigkeit, die zeitgleich mit der Verflüssigung des Ejakulats aktiviert wurden12. Neben einer potentiellen Funktion für die Reproduktion könnte VEGF-C durch sein (lymph)angiogenes Potential den bisher undefinierten Zusammenhang zwischen PSA-Werten und Prostatakrebs-Prognose herstellen. Von den andere Körperflüssigkeiten, die wir untersucht haben, aktivierte Speichel sehr effizient VEGF-C. Als aktivierende Protease identifizierten wir Cathepsin D12. Unsere Arbeitshypothese ist, dass Wundlecken inaktives, in der extrazellulären Matrix deponiertes VEGF-C aktiviert und damit die Wundheilung beschleunigt. Darüberhinaus wurde Cathepsin D interessanterweise schon vor 30 Jahren mit lymphatischer Mammakarzinom-Metstasierung in Verbindung gebracht13. Unsere nächsten Experimente werden überprüfen, welche Proteasen VEGF-C in real existierenen Tumoren aktivieren und ob sich Tumormetastasierung durch spezifische Protease-Hemmer verhindern oder verzögern lässt.

Bibliographie

  1. Zwerge auf den Schultern von Riesen. Wikipedia (2019). https://de.wikipedia.org/wiki/Zwerge_auf_den_Schultern_von_Riesen
  2. Gordon, K. et al. Mutation in Vascular Endothelial Growth Factor-C, a Ligand for Vascular Endothelial Growth Factor Receptor-3, Is Associated With Autosomal Dominant Milroy-Like Primary LymphedemaNovelty and Significance. Circulation Research 112, 956–960 (2013). https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.113.300350
  3. Karkkainen, M. J. et al. Missense mutations interfere with VEGFR-3 signalling in primary lymphoedema. Nature Genetics 25, 153–159 (2000). https://doi.org/10.1038/75997
  4. Alders, M. et al. Mutations in CCBE1 cause generalized lymph vessel dysplasia in humans. Nature Genetics 41, 1272–1274 (2009). https://doi.org/10.1038/ng.484
  5. Jeltsch, M. et al. CCBE1 Enhances Lymphangiogenesis via A Disintegrin and Metalloprotease With Thrombospondin Motifs-3–Mediated Vascular Endothelial Growth Factor-C Activation. Circulation 129, 1962–1971 (2014). https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.113.002779
  6. Bos, F. L. et al. CCBE1 Is Essential for Mammalian Lymphatic Vascular Development and Enhances the Lymphangiogenic Effect of Vascular Endothelial Growth Factor-C In VivoNovelty and Significance. Circulation Research 109, 486–491 (2011). https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.111.250738
  7. Roukens, M. G. et al. Functional Dissection of the CCBE1 Protein. A Crucial Requirement for the Collagen Repeat Domain. Circ Res 116, 1660–1669 (2015). https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.116.304949
  8. Jha, S. K. et al. Efficient activation of the lymphangiogenic growth factor VEGF-C requires the C-terminal domain of VEGF-C and the N-terminal domain of CCBE1. Sci Rep 7, 4916 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-04982-1
  9. Janssen, L. et al. ADAMTS3 activity is mandatory for embryonic lymphangiogenesis and regulates placental angiogenesis. Angiogenesis 1–13 (2015). https://doi.org/10.1007/s10456-015-9488-z
  10. Bui, H. M. et al. Proteolytic activation defines distinct lymphangiogenic mechanisms for VEGFC and VEGFD. J Clin Invest 126, 2167–2180 (2016). https://doi.org/10.1172/JCI83967
  11. Matsumura, M. et al. Substrates of the prostate-specific serine protease prostase/KLK4 defined by positional-scanning peptide libraries. The Prostate 62, 1–13 (2005). https://doi.org/10.1002/pros.20101
  12. Jha, S. K. et al. KLK3/PSA and cathepsin D activate VEGF-C and VEGF-D. eLIFE (2019) https://doi.org/10.7554/eLife.44478.
  13. Spyratos, F. et al. Cathepsin D: An Independent Prgnostic Factor for Metastasis of Breast Cancer. The Lancet 334, 1115–1118 (1989). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140673689914876