Die Rolle von PAD4 bei Rheumatoider Arthritis

Proteine sind super wichtige Bestandteile in unserem Körper und spielen bei vielen wichtigen Prozessen eine Rolle. Nachdem sie hergestellt wurden, können sie sich verändern, was als posttranslationaler Prozess bekannt ist. Eine Art der Veränderung nennt man Citrullinierung, bei der Arginin-Reste ihre positive Ladung verlieren. Ein Enzym namens PAD4 ist für diese Veränderung verantwortlich und kommt überall im Körper vor. PAD4 wird mit rheumatoider Arthritis (RA) in Verbindung gebracht, bei der zitrullinierte Proteine einen wesentlichen Teil der Krankheit ausmachen.

#Die Rolle von PAD4 in der Krankheit

Die Aktivität von PAD4 ist notwendig für einen Prozess namens NETose, der wichtig ist, um Infektionen zu bekämpfen. In diesem Prozess hilft PAD4, Chromatin abzubauen, was es den Immunzellen erleichtert, zu reagieren. Das PAD4-Enzym ist besonders, weil es ein spezielles Signal hat, das es ihm ermöglicht, im Zellkern zu arbeiten. Ausserdem existiert PAD4 normalerweise als Paar von Molekülen, die Homodimere genannt werden, was beeinflusst, wie gut es funktioniert. Wenn es nicht gepaart ist, ist es weniger effektiv.

Die Aktivität von PAD4 wird auch von Calcium-Ionen beeinflusst. PAD4 hat fünf Bindungsstellen für diese Ionen, und wenn sie sich anlagern, ändert das Enzym seine Form und wird aktiv. Damit PAD4 die Hälfte seiner maximalen Aktivität erreicht, müssen die Calciumwerte im Labor zwischen 300 und 600 µM liegen. In Blut ist der Wert normalerweise jedoch um die 1 mM und kann in ruhenden Zellen sogar niedriger sein.

In einigen Zellen, die Neutrophilen ähneln, verändert PAD4 nicht nur RA-spezifische Proteine, sondern auch viele andere Typen. Studien haben gezeigt, dass die Exposition bestimmter Mäuse gegenüber PAD4 zur Bildung von Antikörpern gegen zitrullinierte Proteine führte. Ausserdem wurde festgestellt, dass PAD4 in der Flüssigkeit um die Gelenke von RA-Patienten aktiv ist, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise auch ausserhalb der Zellen wirkt.

Es gibt auch eine Verbindung zwischen Glykosaminoglykanen (Gags) im Blut und der Schwere von RA. GAG-Injektionen können Symptome hervorrufen, die RA in Mäusemodellen ähneln, was darauf hindeutet, dass diese Verbindungen eine Rolle beim Ausbruch der Krankheit spielen könnten. Heparin, eine häufige Art von GAG, hat gezeigt, dass es NETose stimuliert, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen GAGs und der Krankheit hinweist. Aufgrund dieser Zusammenhänge glauben Forscher, dass GAGs, wie Heparin, PAD4 auch dann effizient arbeiten lassen könnten, wenn die Calciumwerte nicht optimal sind.

#Wechselwirkung zwischen Heparin und PAD4

Um besser zu verstehen, wie Heparin PAD4 beeinflusst, haben Forscher die Bindung von PAD4 an Heparin in einem Labor getestet. Sie fanden heraus, dass PAD4 bei einer Salzkonzentration eluiert wurde, die höher war als erwartet, was auf eine stärkere Bindung hindeutet. Weitere Tests bestätigten die Interaktion und zeigten, dass PAD4, wenn Heparin hinzugefügt wurde, einen Komplex bildete, der grösser war als die typischen Formen.

Sie massten, wie gut Heparin PAD4 aktivierte, indem sie spezielle fluoreszierende Substrate verwendeten. Heparin aktivierte PAD4 bei sehr niedrigen Werten, unter 1 nM, und verringerte die Menge an Calcium, die benötigt wurde, damit PAD4 aktiv wird. Diese Ergebnisse wurden durch verschiedene Tests verifiziert, die die starke Verbindung zwischen Heparin und PAD4 bestätigten.

Mehr Tests zeigten, dass Heparin nicht nur an PAD4 bindet, sondern auch dessen Stabilität bei Hitze verbessert. Als PAD4 Heparin ausgesetzt wurde, änderte sich die Schmelzkurve, was auf eine erhöhte Stabilität hinweist.

#Einfluss von Kettenlänge und Ladung

Nachdem sie die Rolle von Heparin bei der Aktivierung von PAD4 bestimmt hatten, wollten die Forscher herausfinden, wie die Eigenschaften von Heparin diesen Effekt beeinflussen. Sie stellten fest, dass kürzere Heparin-Ketten PAD4 nicht so effektiv aktivierten. Mit abnehmender Kettenlänge verringerte sich die Stärke der Interaktion und die Aktivierungsstufen erheblich.

Interessanterweise war eine modifizierte Form von Heparin, die bestimmte Ladungen fehlte, ebenfalls weniger effektiv bei der Aktivierung von PAD4. Das zeigte, dass sowohl die Grösse als auch die Ladung von Heparin eine wichtige Rolle bei der Interaktion mit PAD4 spielen.

#Mechanismus der PAD4-Aktivierung

Die Forscher untersuchten, wie PAD4 an Heparin bindet und aktiviert wird. Sie konzentrierten sich auf die Bereiche von PAD4, die eine positive Ladung tragen, da diese wahrscheinlich an der Bindung beteiligt sind. Durch das Erstellen spezifischer Mutationen in diesen Regionen beobachteten die Wissenschaftler, wie sie die Bindung und Aktivierung von PAD4 beeinflussten. Die mutierten Formen von PAD4 zeigten eine schwächere Bindung an Heparin und hatten eine reduzierte Dimerisierung, was darauf hinweist, dass das Pairing für eine effektive Aktivierung wichtig ist.

Trotz dieser Mutationen deutete die verbleibende Fähigkeit, an Heparin zu binden, darauf hin, dass auch andere Bereiche von PAD4 zur Interaktion beitragen könnten. Weitere Experimente mit anderen PAD4-Mutanten, die schlecht dimersierten, zeigten, dass diese Varianten eine noch niedrigere Aktivierung durch Heparin aufwiesen.

#Auswirkungen von GAGs auf PAD4

Zusätzlich zu Heparin wollten die Forscher herausfinden, ob auch andere GAGs PAD4 aktivieren könnten. Sie testeten verschiedene GAGs wie Dermatan-Sulfat und Chondroitin-Sulfat und fanden heraus, dass diese Verbindungen ebenfalls PAD4 aktivieren konnten, jedoch mit unterschiedlichen Stärkegraden.

Diese Experimente zeigten, dass alle getesteten GAGs die Citrullinierung von Histon H3, einem wichtigen Marker in Bezug auf die PAD4-Aktivität, bei ähnlichen Konzentrationen wie Heparin induzieren konnten. Die Forscher führten auch Flusszytometrie durch, um zu untersuchen, wie gut PAD4 an Zellen mit reduziertem GAG-Produktion bindete. Sie stellten fest, dass Zellen ohne GAGs nicht so effizient an PAD4 binden konnten, was bestätigte, dass GAGs auch zur Interaktion von PAD4 auf Zelloberflächen beitragen.

#Biologische Konsequenzen der PAD4-Aktivierung

Die Auswirkungen von Heparin auf menschliche Immunzellen wurden untersucht. Die Forscher fanden heraus, dass Heparin zu einer konzentrationsabhängigen Freisetzung von DNA in menschlichen Neutrophilen führte – ein Zeichen dafür, dass PAD4 aktiviert wurde und weitere Reaktionen in den Zellen auslöste. Diese Freisetzung ging mit der Modifikation von Histon H3 einher, was Heparins Rolle bei der Förderung der PAD4-Aktivität weiter verknüpft.

#Fazit

Die Rolle von PAD4 bei Krankheiten wie rheumatoider Arthritis ist gut bekannt. Aktives PAD4 trägt zur Bildung von zitrullinierten Peptiden bei, die Immunreaktionen auslösen können. Die Aktivierung des Enzyms hängt erheblich von den Calciumwerten ab, die im Körper oft unzureichend sind, um eine optimale Aktivierung zu gewährleisten.

Da Heparin und andere GAGs PAD4 bei niedrigen Calciumwerten aktivieren können, könnte das einige der Krankheitsprozesse bei RA erklären. Die Forscher entdeckten, dass Heparin mit hoher Affinität an PAD4 bindet und stabile Komplexe bildet. Der Aktivierungsmechanismus hängt sowohl von der Kettenlänge als auch von der Ladung von Heparin ab.

Diese Erkenntnisse eröffnen neue Wege, um zu verstehen, wie GAGs die PAD4-Aktivierung beeinflussen und das Verständnis der RA-Pathologie weiter zu vertiefen. Die Identifizierung von GAGs als natürliche Aktivatoren von PAD4 erweitert unser Verständnis darüber, wie dieses Enzym funktioniert und schlägt neue potenzielle therapeutische Ansätze zur Behandlung von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis vor. Insgesamt könnten GAGs eine wichtige Rolle in der Aktivität von PAD4 in verschiedenen biologischen Kontexten spielen und ihre Anwesenheit mit Krankheitsprozessen und Immunreaktionen verknüpfen.